INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL · 3.9b Vista superior del tanque de salida y componentes. 63 3.10a...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO INGENIERÍA CIVIL “DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE GASTO DEL AFORADOR VENTURI PARA CANAL” T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: I N G E N I E R O C I V I L P R E S E N T A N. CARERA GARCÍA EDGAR SÁNCHEZ JACINTO DAVID DONATO ASESOR: ING. RAÚL MANJARREZ ÁNGELES Tesis producto del proyecto de investigación “Validación experimental del coeficiente de fricción “f” de Darcy-Weisbach y su comparación con el coeficiente de rugosidad “n” de Manning en el análisis de pérdidas en tubería a presión” No 20071423 MÉXICO D. F. MAYO DEL 2007
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO
INGENIERÍA CIVIL
“DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE GASTO DEL AFORADOR VENTURI PARA
CANAL”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
I N G E N I E R O C I V I L
P R E S E N T A N.
CARERA GARCÍA EDGAR
SÁNCHEZ JACINTO DAVID DONATO
ASESOR: ING. RAÚL MANJARREZ ÁNGELES
Tesis producto del proyecto de investigación “Validación experimental del coeficiente de fricción “f” de Darcy-Weisbach y su comparación con el coeficiente de rugosidad “n”
de Manning en el análisis de pérdidas en tubería a presión” No 20071423
MÉXICO D. F. MAYO DEL 2007
AGRADECIMIENTO
Al Instituto Politécnico Nacional Por haberme brindado todas las facilidades para tener una educación superior dándome la oportunidad de ser parte de ella, con ideales de servicio al pueblo de México. A la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA zacatenco) Por todos los conocimientos adquiridos en sus aulas inculcando siempre la responsabilidad y el amor al conocimiento, formándome con una visión muy amplia de la Ingeniería Civil. Al Ing. Raúl Manjarrez Ángeles Por la asesoría constante, observaciones, sus puntuales sugerencias, tiempo y esfuerzo dedicado a la realización de este trabajo y por su apreciada amistad.
DEDICATORIA
A Dios Por la dicha de estar vivo, por cuidar de mis padres y hermanos, por iluminar y cuidar mis pasos en todo momento, y permitirme compartir con todos mis seres queridos este logro y finalmente por ser el camino inequívoco de la sabiduría. A mis padres Felipa Jacinto Hernández y Rutilio Sánchez Salinas, por el apoyo incondicional que me brindaron durante toda mi formación, por la compresión y los buenos consejos en momentos difíciles de mi vida, por sus bendiciones y sobre todo por el amor y confianza depositada en mi. A mis hermanos Vianney, Misael, Esteban y Leticia, por sus buenos consejos, por su apoyo incondicional tanto económico como moral durante toda mi carrera, y por su comprensión brindada en situaciones difíciles. A mis sobrinos Janet Carolina y Miguel Ángel, por el gran amor que les tengo y las sonrisas que me siempre me regalan. A mis apreciados amigos y amigas Carera, Brody, Guiny, Pinto, Puebla, Iván, Lobo, Texas, Martín, Miguel, Roñas, Yamily, Lupe, Abril, Nataly. Por haber compartido alegrías, tristezas, parrandas, por haberme escuchado y acompañado cuando se les necesitaba y en especial a mis compás: Regulo, Potrillo, Chentillo y Lacho por apoyarme siempre en las buenas y en las malas, y sobre todo por la gran amistad que nos une.
David D. Sánchez Jacinto
Después de la culminación de este trabajo, agradezco a quienes hicieron posible la realización de esta labor desde el proyecto, la investigación, la experimentación y la conclusión de la misma; cuya participación moral, correctiva, propositiva y económica permitió en gran medida ver terminada mi Tesis:
De la cual espero cumpla con los fines para los cuales fue
realizada y de esta manera agradezco:
A Dios.
Por haberme permitido estudiar la ingeniería, y darme la oportunidad de culminarla.
A la ESIA del IPN.
En cuyo ambiente académico me formé como Ingeniero Civil y por darme los conocimientos necesarios para contribuir en el desarrollo de México.
A mis Padres.
Luís Carera y Mª. Elena García, a quienes les doy las gracias por haberme dado la vida y otorgarme todo lo necesario para alcanzar lo que he querido, por permitirme ser quien soy y respetar mis decisiones, así como por toda su paciencia en la elaboración de la Tesis y apoyarme siempre moral y económicamente; gracias por todo su comprensión, su impulso y motivación.
A mis hermanos. Isaac, Yanely, Karina y Jaque, el cual les deseo que este trabajo sea un estímulo para, para que intenten ellos, por sus propios medios lograr sus metas.
A mi Asesor.
Ing. Raúl Manjarrez Ángeles. Por asesorar este trabajo durante toda su elaboración, revisando y corrigiendo. Gracias por permitirme trabajar con Usted, por su experiencia y paciencia, así como por sus observaciones, correcciones y fortalecimientos en la investigación y experimentación durante la elaboración de la Tesis.
Edgar Carera García
DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE GASTO DEL AFORADOR VENTURI PARA CANAL. INDICE PAG. INTRODUCCIÓN...............................................................................1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. .................................................4 HIPÓTESIS. ......................................................................................6 OBJETIVO GENERAL. .......................................................................6 OBJETIVOS PARTICULARES. ............................................................6 VARIABLES DE INVESTIGACIÓN......................................................7 Dependiente. Independiente. JUSTIFICACIÓN DEL TEMA. ............................................................7 DELIMITACIÓN DEL TEMA...............................................................7 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO ........................................................8 I.1 LA MOLÉCULA DEL AGUA. .............................................................9 I.2 EL AGUA COMO ELEMENTO VITAL. ...................................................10 I.3 ANTECEDENTES HISTÓRICOS. ..........................................................11
I.3.1 El agua en la agricultura........................................................12 I.3.2 Antecedentes de la medición del agua en México. ...................14
I.4 LA EFICIENCIA DEL USO DEL AGUA EN LOS DISTRITOS DE RIEGO EN MÉXICO.............................................................................................15
I.4.1 Consideraciones sobre la eficiencia la aplicación, la conducción y el almacenamiento. ...............................................16
I.5 EL ENTORNO CIENTÍFICO Y TÉCNICO DE LA HIDRÁULICA EN EL RIEGO. .........................................................................................19 I.5.1 El entorno geográfico del riego.................................................21
CAPÍTULO II. METODOS DE MEDICIÓN O AFORO DE GASTOS. ....22 II.1 METODOS DE AFORO.......................................................................23
II.1.1 El aforador............................................................................26 II.1.2 Los flotadores. ......................................................................27 II.1.3 La pantalla corrediza.............................................................28 II.1.4 Canaleta de aforos venturí. ...................................................29 II.1.5 Orificios. ...............................................................................30 II.1.6 Vertedores. ...........................................................................32 II.1.6.1 Clasificación ......................................................................32
II.2 METODOS DE MEDICIÓN EN SECCIONES CRÍTICAS. .......................34 II.2.1 Aforador Parshall. .................................................................34 II.2.1.1 Descripción de su estructura....................................36 II.2.1.2 Funcionamiento. ......................................................39 II.2.1.3 Selección e instalación del medidor. .........................41 II.2.2 Aforador Venturí. ..................................................................44 II.2.2.1 Definición. ...............................................................44 II.2.2.2 Descripción de su estructura....................................44 II.2.2.3 Ensamble.................................................................45 II.2.2.4 Seguridad. ...............................................................46
II.2.2.5 Estado subcrítico y supercrítico. ..............................47 II.2.2.6 Funcionamiento. ......................................................48 II.2.2.7 Datos técnicos. ........................................................49
II.2.2.8 Determinación de la ecuación para el venturí. ..........50 CAPÍTULO III. CANAL HIDRODINÁMICO DE PENDIENTE VARIABLE. .....................................................................................53 III.1 GENERALIDADES DEL CANAL. ........................................................54 III.1.1 Elementos del canal. ............................................................55
III.1.2 Ciclo del flujo del canal hidrodinámico de pendiente variable. .......................................................................................65
III.2 MEDIDOR VENTURI. ........................................................................69
CAPÍTULO IV. ENSAYOS CON EL AFORADOR VENTURI (HM 160.30) PARA CANALES. .........................................................73 IV.1 ENSAYOS CON EL AFORADOR VENTURI. ........................................74 IV.2 FLUJO SUBCRÍTICO Y SUPERCRÍTICO EN EL VENTURI. .................76 IV.3 FUNCIONAMIENTO DEL VENTURI....................................................76
IV.4 PROCEDIMIENTO DE LOS ENSAYOS CON EL AFORADOR VENTURI. ................................................................................................78 IV.5 EFECTO QUE SE GENERA EN LA PARTE CONVERGENTE DEL AFORADOR VENTURI. .....................................................................85 IV.6 REGISTRO DE LOS AFOROS CON EL DISPOSITIVO VENTURI.........87 CAPÍTULO V. RESULTADOS Y GRÁFICAS......................................93
V.1 RESULTADOS Y GRÁFICAS DEL VENTURI. .......................................94 CONCLUSIONES. .........................................................................110 RFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................112 BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................113
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA
TÍTULO PAG.
1.1 Unión de moléculas diatómicas de hidrogeno y oxigeno para producir moléculas de agua de naturaleza polar. 10
2.1 Aforador de hélices. 26 2.2 Orificio totalmente sumergido. 30 2.3 Orificio de pared gruesa. 31 2.4 Orificio con bordes biselados. 31 2.5 Vertedor parcialmente lleno (vista frontal y superior). 32 2.6 Vertedor de pared delgada biselada. 33 2.7 Aforador Parshall seccionado. 36 2.8 Aforador Parshall en planta y perfil. 37
2.9 Componentes. 44
2.10 Ensamble. 46
2.11 Velocidad de la onda en el agua. 47
2.12 Dirección del flujo en el canal con Venturi.(Vista superior) 48
2.13 Contracción en el medidor Venturi. 48
2.14 Sección baja del Venturi (Dimensiones). 49
2.15 Sección representativa para el cálculo del caudal. 50
3.1 Elementos del Canal de flujo de pendiente variable. 56
3.2 Rotámetro. 58
3.3 Ubicación de la bomba, válvula, rotámetro y tablero de control. 66
3.4 Esquema del canal de flujo y circulación del caudal. 68
4.1 Esquema del limnímetro de punta. 79
ÍNDICE DE FOTOS.
FOTO
TÍTULO PAG.
2.1 Vista superior del Venturi. 45 2.2 Vista frontal del Venturi. 45 3.1 Vista general del Canal de flujo de pendiente variable. 54 3.2 Bomba en el pedestal de soporte fijo. 57 3.3 Bomba centrífuga, motor (120 VAC, 60Hz). 57 3.4 Medidor de flujo (rotámetro). 58 3.5a Pedestal de inclinación. 59 3.5b Vernier de pendientes. 59 3.6a Acercamiento al depósito de entrada. 60 3.6b Vista superior del depósito de entrada con control de
nivel. 60
3.7 Vista longitudinal del canal de flujo. 61 3.8a Esquema del tablero de control. 62 3.8b Localización del tablero en el pedestal de soporte. 62 3.9a Vista general del tanque de salida. 63 3.9b Vista superior del tanque de salida y componentes. 63 3.10a Vista del tanque almacenador conectado a la bomba y al
tanque de salida. 64
3.10b Vista del tanque almacenador lleno. 65 3.11 Tubería que accesa al depósito de entrada (vista inferior
del canal). 67
3.12 Válvula de control. 67 3.13 Medidor Venturi en el canal. 69 3.14a Vista superior del Venturi. 70 3.14b Vista frontal del Venturi. 71 3.15a Introducción de la base de aluminio. 72 3.15b Introducción de los plexiglás. 72 4.1 Vista aérea del aforador venturi. 74 4.2 Canal hidrodinámico con pendiente cero. 75 4.3 Colocación del la base del Venturímetro. 78 4.4 Colocación de los paneles o plexiglas laterales. 79 4.5 Regletas del limnímetro en ceros ó calibrado. 80 4.6 Interruptor de admisión de corriente. 80 4.7 Válvula de regulación motorizada o válvula de paso para 81
ajuste del caudal 4.8 Registrador magnético-inductivo del caudal (Rotámetro). 81 4.9 Altura del tirante, producida por las magnitudes de
gasto 82
4.10 Aforador Venturi HM 160.51 en funcionamiento. 83 4.11 Medición del tirante en el estado subcrítico con regla
graduada (limnímetro) 84
4.12 Medición del tirante Supercrítico con regla graduada (limnímetro) 84
4.13 Sección crítica. 85 4.14 Decremento de la altura piezométrica. 86
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA
TÍTULO PAG.
2.1 Tamaño del medidor-Descarga libre- Sumersión. 40 2.2 Valores de m y n, en unidades métricas. 41 4.1a Datos obtenidos del primer ensayo. 87 4.1b Datos obtenidos del primer ensayo. 88 4.2a Datos obtenidos del segundo ensayo. 89 4.2b Datos obtenidos del segundo ensayo. 90 4.3a Datos obtenidos del tercer ensayo. 91 4.3b Datos obtenidos del tercer ensayo. 92 5.1 Coeficientes de gasto 1A. 97 5.2 Coeficientes de gasto 1B. 98 5.3 Coeficientes de gasto 2A. 99 5.4 Coeficientes de gasto 2B. 100 5.5 Coeficientes de gasto 3A. 101 5.6 Coeficientes de gasto 3B. 102
ÍNDICE DE GRÁFICAS
GRÁFICA
TÍTULO PAG.
5.1 Primer ensayo. (A), Gasto-Coeficiente. 105 5.2 Primer ensayo. (B), Gasto-Coeficiente. 106 5.3 Segundo ensayo. (A), Gasto-Coeficiente. 107 5.4 Segundo ensayo. (B), Gasto-Coeficiente. 108 5.5 Tercer ensayo. (A), Gasto-Coeficiente. 109 5.6 Tercer ensayo. (B), Gasto-Coeficiente. 110
INTRODUCCIÓN
El agua es el elemento básico para la vida, sin embargo en ocasiones
puede resultar perjudicial sobre todo cuando no hay control sobre ella. Es
por eso que este líquido debe ser bien administrado para planificar, controlar
y de esta forma lograr que perdure, esto se ha logrado utilizando el ingenio
humano en el diseño y construcción de sistemas hidráulicos, mismos que
forman parte importante de la infraestructura de un país, la cual permite
desempeñar las diferentes actividades económicas para su desarrollo.
A medida que en el mundo se genera más demanda de agua, se
requiere que la determinación de parámetros de presión, velocidad,
descarga, gradientes de energía, turbulencia y viscosidad; sean exactos en
las Mediciones de Flujos, para un aprovechamiento optimo del recurso agua.
Estas mediciones son de gran importancia en la práctica de la
Ingeniería para controlar la distribución de agua en los diferentes usos de
ella.
Para las zonas de riego, en donde el manejo y control del agua requiere
de una cuidadosa atención, la medición del flujo en los canales es necesario
realizarlo, utilizando procedimientos de acuerdo a las condiciones del sitio y
con ello proporcionar la cantidad exacta de agua para el desarrollo del
cultivo.
Para llevar a cabo estas mediciones se emplean diversos dispositivos
de aforo, cada uno de ellos tienen diferentes formas de uso y las precisiones
en la medición varían dependiendo de las condiciones topográficas y el uso
que se les de, en este trabajo estudiamos exclusivamente al aforador Venturí
modelo HM 160.51 para canales abiertos.
Los procedimientos empleados más generalizados para el aforo de
corrientes de agua en sistemas de riego se basan en estimar la velocidad
- 1 -
media en una sección determinada, y conocida el área hidráulica se
determina el gasto circulante (ecuación de Continuidad).
Tienen interés especial los aforadores que presentan un
estrechamiento en la sección transversal de la corriente del agua que alojan.
Las relaciones teórico-experimentales son basadas en ecuaciones de la
hidráulica, más específicamente, en las ecuaciones de continuidad y de la
energía.
Se justifican así diversas formas de la ecuación de gasto aplicada a
sistemas con determinadas características geométricas. Dicho gasto, o una
velocidad representativa de la sección de corriente considerada, será
relacionada unívocamente con una presión o una carga diferencial en el caso
de dispositivos cerrados, o con el tirante medido en el caso de vertido sobre
obras que presentan una superficie libre.
Por lo tanto en este trabajo se estudia las la obtención de los
coeficientes de gasto que se presenten en el aforador Venturi, así como las
ecuaciones que para ello se utilizan.
Este trabajo se divide en cinco capítulos; el Capítulo I comprende el
Marco Teórico donde se describen algunas generalidades sobre el agua y su
importancia como un elemento vital en la vida de los seres vivos, así como
su importancia en la agricultura para el riego de parcelas y la eficiencia de
los aforos para evitar desperdicios.
En el Capítulo II describimos las características principales de los
métodos para medir o aforar el gasto, así como las descripción de los
principales dispositivos con los que se afora, al final de este capitulo
hablamos con mas detalle de los métodos de aforo de sección critica como lo
es el aforador Parshall y el Venturi. Sin embargo podemos decir que el mejor
método depende del caudal de la corriente, de las condiciones bajo las que se
va a hacer el aforo y del grado de exactitud deseado.
- 2 -
En el Capítulo III describimos las características principales de los
dispositivos de laboratorio de Hidráulica de la ESIA Unidad Zacatenco del
IPN, en particular el Canal de Pendiente Variable y del dispositivo o aforador
Venturí modelo HM 160.51, a utilizar en los experimentos.
Es importante señalar que durante el proceso de experimentación
tomamos fotos de los ensayos que realizamos con cada una de las
compuertas.
En el capitulo IV se hace la descripción de los ensayos con el aforador
Venturi modelos HM 160.51, iniciando con la colocación de esté en el canal
de pendiente variable, la calibración del molinete para posteriormente hacer
las mediciones correspondientes, finalizando con el registro en tablas de las
lectura obtenidas.
En el Capítulo V analizamos los cálculos de cada uno de los ensayos
realizados referentes a la obtención de los coeficientes de gasto del
dispositivo aforador Venturí, y elaboramos sus graficas
En la parte final se dan las conclusiones sobre la utilización del
aforador Venturi en el canal de pendiente variable del laboratorio de
Hidráulica de la ESIA Unidad Zacatenco del IPN.
- 3 -
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El surgimiento de la agricultura determinó cambios muy importantes
en el hombre primitivo, de tipo social, cultural y de la relación con su
entorno. Tan importante fue este cambio que el inicio de la práctica agrícola
se toma como referencia para estudiar los periodos del desarrollo cultural
del hombre, en la historia.
Actualmente, los productos agrícolas son la base de la alimentación de
la población mundial, especialmente para las clases marginales que no
tienen la opción de adquirir carnes, leche y sus productos derivados de la
misma, es por eso que el sector agrícola es uno de los principales recursos
naturales más valiosos y vital para el hombre, en donde los mayores
consumos y desperdicios de agua se realizan en la agricultura.
En México más del 77% del agua dulce se usa para actividades
agrícolas. De esa agua, un alarmante 57% se pierde o desperdicia por
métodos o infraestructura ineficiente de riego. La agricultura tiene la
responsabilidad más grande en el cuidado del agua y su aprovechamiento
racional.
Por tal motivo es necesario efectuar los cambios pertinentes para
poder hacer un uso eficiente del agua en el sector agrícola, especialmente
por ser el que más demanda este recurso. No es posible pensar en el
incremento de la producción agrícola sin considerar un uso óptimo del
recurso hídrico pues finalmente, el sector agrícola depende del riego.
En donde el desperdicio del agua en el riego de los cultivos se debe
fundamentalmente a que las técnicas de riego que se usan ya son obsoletas,
por la baja capacitación del gobierno al agricultor pues no se ha hecho
totalmente la transferencia de tecnología óptima o acorde con el marco
sociocultural del agricultor. Por tal razón es de suma importancia desde los
diversos sectores buscar un mejor uso óptimo del agua.
- 4 -
Para reducir las pérdidas de agua depende mucho del sistema de riego
que se utilice. En las diferentes etapas del proceso de aplicación de la
misma, puede haber desperdicio, por ejemplo en la etapa de conducción,
cuando se lleva el líquido desde una fuente y en su recorrido se filtra en
los canales.
También durante la aplicación por el usuario mismo hay pérdidas,
como cuando se emplea el sistema de riego por gravedad en donde el agua
entra a un canal en la cabecera de un terreno y se abre un surco por donde
corre. Hay sitios en los cuales ese sistema no es apropiado por el tipo de
suelo pues si este es muy suelto, el agua se filtra muy rápidamente y se va a
los estratos inferiores del suelo y genera una pérdida considerable de agua.
- 5 -
HIPÓTESIS
Se verificara experimentalmente que un aforador Venturi para
canal, presenta un comportamiento hidráulico óptimo en la medición de
caudal en base a sus coeficientes de descarga para un rango de gastos.
OBJETIVO GENERAL
Elaborar un documento que contenga información especifica y de forma
clara referente al aforador Venturi para canal, y de su utilidad en el
ámbito de la agricultura.
OBJETIVOS PARTICULARES
1.- Mostrar las características del aforador Venturi para canal,
aditamentos posibles y el rendimiento de este en su instalación dentro
de un canal.
2.- Verificar su eficiencia en la medición de caudales de agua para uso
agrícola.
3.- Clasificar de acuerdo con su funcionamiento y condiciones del canal
donde se va a alojar, con respecto a otro tipo de aforadores.
4.- Obtener experimentalmente sus coeficientes de descarga para
diferentes gastos, y que presente un funcionamiento optimo en los
distritos de riego existentes que o pueden utilizar.
6
VARIABLES DE INVESTIGACIÓN
Dependiente: Coeficiente de descarga de gasto de un aforador
Venturi para canal.
Independiente: Gasto o caudal circulante en el aforador
Venturi para canal.
JUSTIFICACIÓN
La realización del presente trabajo, permitirá determinar los
coeficientes de gasto de un aforador Venturi para canal, y con ello
proveer un aprovechamiento optimo en derivación de caudales para uso
agrícola.
DELIMITACIÓN DEL TEMA.
En este trabajo desarrollamos la experimentación con base en
modelos de laboratorio del aforador Venturi para la determinación de
los coeficientes de gasto que lo gobiernan así como su funcionamiento
e instalación.
7
CAPÍTULO I.
MARCO TEÓRICO.
8
I.1 LA MOLÉCULA DEL AGUA.
Las tres cuartas partes de la superficie de la tierra están cubiertas de
agua, aun cuando esto es un dato impresionante, se queda corto frente a las
espectaculares fotografías que nos han llegado del espacio exterior; en donde
esto nos revela un hermoso planeta azul bañado con agua, cubierto
parcialmente con un velo de vapor de agua.
Como todos sabemos la vida comenzó en el agua. Al volverse mas
complejas y especializadas las cosas vivas, abandonaron el mar y se
asentaron en la tierra, tomando al agua como componente principal de sus
cuerpos. Sobre el planeta tierra el agua es vida.
El estudio adecuado del agua es la molécula de agua, en donde su
formula es H2O esta formula nos indica únicamente su composición y peso
molecular, y no explica las propiedades extraordinarias que resultan de su
arreglo molecular único (vea figura 1.1). En donde los dos átomos de
hidrogeno están separados entre si por diez adyacentes al átomo de oxigeno,
de forma que la molécula es asimétrica cargada positivamente del lado del
hidrogeno y negativamente del lado del oxigeno. Por esta razón se dice que el
agua es dipolar. Esto hace que las moléculas se aglomeren, en donde el
hidrogeno de una molécula atrae al oxigeno de la molécula vecina. Por lo
tanto la unión de las moléculas como resultado de esta fuerza de atracción
recibe el nombre de “puentes de hidrogeno”.
Una de las consecuencias de los puentes de hidrogeno es que las
moléculas de H2O no pueden abandonar la superficie de un cuerpo tan
fácilmente como lo harían de no existir esta atracción intermolecular. La
energía requerida para romper el enlace con el hidrogeno y liberar una
molécula de H2O para formar vapor es mucho mayor que la requerida por
otros compuestos químicos comunes. A causa de esto, el vapor de agua tiene
un alto contenido energético y es un medio efectivo para transferir energía
9
durante las operaciones de una industria, en la construcción y en los
hogares 1.
Molécula de Hidrogeno H2
Molécula de agua - - + + Molécula de Oxigeno O2
Molécula de agua - - - + + Molécula de Hidrogeno H2
Figura 1.1 Unión de moléculas diatómicas de hidrogeno y oxigeno para producir moléculas de agua de naturaleza polar.
I.2 EL AGUA COMO ELEMENTO VITAL
El agua está en muchos lugares: En las nubes; en los ríos, en la nieve
y en el mar. También está donde no la podemos ver, como en el aire mismo,
en nuestro cuerpo, en los alimentos y bajo la tierra.
El agua es necesaria para la vida del hombre, los animales y las
plantas. Es parte importante de la riqueza de un país; es por eso que
debemos aprender a no desperdiciarla.
Todos sabemos que el agua es indispensable para la vida y que si
dejáramos de tomarla moriríamos en pocos días.
Un 70% de nuestro cuerpo está constituido por agua; encontramos
agua en la sangre, en la saliva, en el interior de nuestras células, entre cada
uno de nuestros órganos, en nuestros tejidos e incluso, en los huesos.
10
Además de agua para beber, nosotros los seres humanos utilizamos
agua en casi todas nuestras acciones, es decir, la requerimos para preparar
alimentos, lavar ropa o trastes, aseo personal, riego de cultivos, cría de
animales, fabricación de productos, producción de energía, etc.
Como sabemos, el agua es un líquido incoloro, insípido e inodoro; es
decir, no tiene color, sabor ni olor cuando se encuentra en su mayor grado
de pureza. Es un elemento vital ya que sin ella no sería posible la vida de los
seres vivos (animales o plantas).
El agua ha sido importante en nuestro planeta desde que se inició la
vida, reflejándose en la historia. En nuestro país, antes de que llegaran los
Españoles los indígenas adoraban a Tlaloc y Chac, dioses viejos, dioses de la
lluvia y del agua respectivamente; indispensables para que el agua no
faltara.
Los antiguos griegos consideraban que el agua era uno de los cuatro
elementos básicos del universo. Esta creencia viajó por todo el mundo
durante siglos sin perder fuerza; hoy, los científicos afirman que el agua
existió desde la formación de la Tierra y que en los océanos se originó la vida 2.
I.3 ANTECEDENTES HISTÓRICOS.
Desde los tiempos prehispánicos las técnicas e instalaciones
hidráulicas han sido de gran importancia, algunas de las finalidades
principales eran: la irrigación agrícola, los servicios urbanos de provisión de
agua potable, drenaje y el control de inundaciones en las zonas lacustre y
pantanosa. Y entre otras tenían la fuerza motriz y la recreación.
Los canales fueron utilizados como dispositivos de obras y como obras
misma en la irrigación principalmente.
11
I.3.1 EL AGUA EN LA AGRICULTURA.
Como es sabido, la ingeniería se fundamenta sobre conocimientos
aplicables a la invención perfeccionamiento y utilización de técnicas. Su
objetivo es conseguir resultados permisibles en procesos productivos y en el
control de fenómenos naturales. En particular, el campo de la ingeniería
agrícola enmarca procesos productivos y de conservación del medio natural
relacionados con la agricultura.
No es fácil determinar el campo especifico propio de agua, dentro de la
ingeniería agrícola, las dificultades que pueden implicar tal asignación
quedan bien ilustradas con las que han tropezado los intentos de identificar
lo que, con poca propiedad y con raíces no exentas de corporativismo, han
sido denominada “hidráulica agrícola”. Esta ha llegado a ser planteada como
un desarrollo in intenso de todo lo que tenga alguna relación con agua y con
la agricultura. Así concebida, alcanzaría a incluir campos como el
abastecimiento de núcleos de población rurales y la depuración de aguas
residuales procedentes tanto de dichos núcleos como de diversas actividades
agroindustriales. Evidentemente, tal planteamiento es desmedido; pero, por
otra parte, es evidente que el recurso natural agua es un factor que
condiciona el posible aprovechamiento de otros recursos hoy a disposición
de la agricultura. En particular, el control del balance hídrico de los suelos
cultivados es clave para, a su vez, controlar la producción agrícola y la
conservación de los suelos de cultivo. Por todo ello, está justificada una
definición de contenidos. A tal efecto, resulta conveniente discutir los
conceptos de hidráulica, riegos e hidrología 3.
Hoy se concibe la hidráulica como una parte de la mecánica cuyo
campo se generaliza a todos los fluidos; pero el análisis del comportamiento
de éstos, núcleo de dicha ciencia, debe atender a la motivación de la
hidráulica en los sistemas agrícolas. Un aspecto fundamental de dicha
motivación es el uso racional de los limitados recursos hídricos disponibles y
del suelo, mediante el proyecto, ejecución y manejo adecuado de los
12
sistemas hidráulicos. Es en este contexto donde deben ser planteados los
fundamentos hidráulicos del riego, termino para el que la voz latina rigare,
esparcir agua sobre una superficie, orienta con claridad sobre la definición
que le corresponde. En definitiva, la hidráulica, fundamentada en la física y,
especialmente, en la mecánica de fluidos debe de justificar las leyes que
rigen el comportamiento del agua en las obras e instalaciones de
conducción, distribución y desagüe que constituyen los sistemas de riego.
De una manera general, las técnicas de riego, junto a las de captación
de recursos hídricos y a las de avenamiento del exceso de humedad, quedan
encajadas dentro del campo de la hidrología, ciencia a la que, de acuerdo
con su etimología de hidro y λ ó γ ó ζ, corresponde el estudio del origen,
distribución y propiedades de las aguas en al corteza de la tierra. En un
ámbito mas limitado, pero a un amplio y complejo, la ingeniería hidráulica
del riego hace referencia al medio físico de los propios tablares de cultivo 3.
Los condicionantes físicos y biológicos de suelos y cultivos afectan al
movimiento, retención y utilización del agua, y han de ser consideradas por
el técnico que estudia, proyecta o dirige explotaciones de riego. Por ello, las
técnicas de riego y avenamiento deben apoyarse en la agrología,
especialmente en lo que respecta al comportamiento tanto hidro-físico como
hidro-químico del sistema suelo-planta; asimismo, en las técnicas de
selección, preparación y conservación de tierras para riego; finalmente, en el
conocimiento de los aspectos biológicos y de cultivo de las plantas
cultivadas, especialmente de sus respuestas y adaptabilidad a las
condiciones creadas con el riego 3.
Conforme a la exposición que antecede, la ingeniería hidráulica de los
sistemas de riego constituye una parte fundamental de la ingeniería agrícola;
pero este es también el caso del estudio de las relaciones físicas que
determinan el estado y transporte del agua en el sistema suelo-atmósfera; y,
asimismo, el de la interacción de la plantas que se interponen en este
sistema, cuyo cultivo productivo es objetivo principal de las labores
13
agrícolas, una de las cuales puede ser el propio riego. Por todo ello, hay que
reconocer que, al campo propio de la hidráulica aplicada a la agricultura,
corresponden límites más amplios que los asignados, strictu sensu, a la
ingeniería hidráulica. El ámbito afectado queda cubierto por un entramado
de técnicas de captación, almacenamiento, transporte, regulación,
distribución, aplicación y avenamiento, las cuales solo son independientes
en apariencia 3.
1.3.2.- ANTECEDENTES DE LA MEDICIÓN DEL AGUA EN MÉXICO
En México como en todo el mundo la medición del agua tiene una
aplicación importante, ya que nos da los pasos a seguir en la solución de
muchos problemas, entre los principales esta el desperdicio de agua en el
riego.
En vista que en los distritos de riego se tiende a cobrar por volúmenes
el agua de riego, la Secretaria de Recursos Hidráulicos encomendó al
laboratorio de hidráulica de Tecamachalco ensayar los dispositivos que
mejor se adaptaran a la solución de este problema. Estas estructuras
deberían ser fáciles de construir, que provoquen poca perdida de carga,
tener bajo costo y ser de operación sencilla 4.
Primero, a diseñar y adoptar una estructura aforadora que instalada
en la gran variedad de canales de los distritos de riego, funcionara con buen
grado de exactitud en la medida del gasto y segundo, a diseñar un
dispositivo que funcionando como modulo, absorbiera las variaciones de los
niveles de la superficie libre del agua en los canales, para descargar un gasto
más o menos constante, dentro de los límites aceptados por la
administración de los distritos de riego.
Se ensayo un aforador Venturi rectangular y se comprobó que se
adaptaba muy bien a las necesidades del primer punto del programa.
14
Para cumplir con el segundo punto, se adopto una pantalla al extremo
del estrechamiento de la estructura.
La abertura de la pantalla convenientemente calibrada permite limitar
el paso de la corriente. Cuando los niveles de agua son bajos, el
escurrimiento es a superficie libre, para después, al subir el nivel del agua y
tocar el labio inferior de la compuerta, cambiar bruscamente a escurrimiento
de orificios, formándose un medidor de gasto constante.
Para tratar de unificar los criterios en los diferentes problemas de los
distritos de riego, la Secretaria de Recursos Hidráulicos a partir de 1967 ha
llevado acabo tres seminarios, en los que reúne al personal técnico de todos
los distritos con el fin de dar algunas líneas de acción para mejorar la
operación de los distritos de riego 4.
En estos seminarios uno de los temas principales fue la forma de
medir los gastos de agua, dándose diferentes opiniones y recomendaciones al
respecto.
I.4.- LA EFICIENCIA DEL USO DEL AGUA EN LOS DISTRITOS DE RIEGO
EN MÉXICO
En un país como México en donde el agua tiene un gran valor
potencial desde el punto de vista de la productividad agrícola y que es de
suma importancia lograr una respuesta a la primera interrogante que
muchos ingenieros se han hecho ya desde hace varios años, que es: ¿Se
riega con el agua captada o derivada por las obras, la superficie que con
dicho volumen se puede beneficiar?
La contestación definitivamente no es fácil, ya que pues se ignora la
eficiencia en el uso del agua. Algunos autores suponen que un 25% es de
15
eficiencia total, lo que significaría un desperdicio del 75%. Desde luego este
cálculo carece de fundamentos y no se debe tomar muy en cuenta; pero
entonces, ¿Cuál es la eficiencia total en el uso del agua?
Como primer paso a una contestación lógica, debemos mencionar que
se entiende por eficiencia en el uso del agua en el riego.
El autor Hidalgo G. Antonio, cita una definición de Israelsen, que es
la siguiente:
“la eficiencia en el riego, es la relación entre la lámina del agua
estrictamente precisa para lograr el mejor producto neto de las cosechas en
un medio determinado y de la lámina derivada de la fuente de
abastecimiento, de manera que no se altere la fertilidad del terreno”.
I.4.1.- CONSIDERACIONES SOBRE LA EFICIENCIA EL LA APLICACIÓN,
LA CONDUCCION Y EL ALMACENAMIENTO
A. EFICIENCIA DE LA APLICACIÓN
Con respecto a esta eficiencia de la aplicación del agua hacia los
cultivos durante el riego, es interesante hacer notar que a pesar de que han
obtenido varias relaciones como índices de eficiencia, pocos de estos índices
se han relacionado con la productividad; lo cual es muy importante, ya que
el concepto de eficiencia en el uso del agua se basa en el logro del mejor
producto neto de las cosechas. Esta observación es de trascendental
importancia por que de otra manera los índices de eficiencia no indican la
eficiencia real.
Desde luego que, en México tampoco existen estudios al respecto y
solo se tiene una vaga idea de lo que puede ser la eficiencia en el uso del
agua a nivel parcelario. En tiempo muy reciente se ha tratado de hacer algún
16
tipo de estimación a través de índices relativos, obtenidos en funciones de
lámina media; sin embargo, este índice solo permite apreciar el tamaño
relativo de las láminas aplicadas pero no la eficiencia en el uso del agua 5.
B. EFICIENCIA DE ALMACENAMIENTO
Como ejemplo de la estimación de la eficiencia de almacenamiento,
pueden usarse datos del Distrito de Riego del Río Mayo, en Sonora; en este
Distrito se tiene información de 34 años de operación de la Presa “Adolfo
Ruiz Cortinez”, con entradas promedio de 980 Hm3 y salidas de 830 Hm3,
por lo que la eficiencia de almacenamiento es de 85%. De los 150 Hm3 que
en promedio anual se han perdido, 100 Hm3 lo fueron por derrames por el
vertedor y otros 50 Hm3 por evaporación en el vaso, las pérdidas por
filtración no son significativas.
Esta eficiencia puede aumentarse en algunos casos, mediante un
mejor manejo del vaso de almacenamiento; sin embargo, la mayoría de las
veces la baja eficiencia se debe a una falta de capacidad de dichos vasos,
para poder regular las variaciones de los caudales que le entran; así en el
caso de la Presa anterior, la eficiencia de almacenamiento aumentó cuando
su capacidad también aumentó 5.
C. EFICIENCIA DE CONDUCCIÓN
Se estima que en promedio en los Distritos de Riego del país se pierde
un 40% del agua en la conducción; es decir la eficiencia media de
conducción es del orden del 60%. No obstante, debe recordarse que no toda
el agua se desperdicia, ya que parte va a los acuíferos y posteriormente
puede ser nuevamente aprovechada; sin embargo, en los Distritos costeros,
la mayor parte del agua perdida se va hasta el mar, sin que sea posible su
utilización 5.
17
Las pérdidas en conducción pueden subdividirse de acuerdo a su
origen en:
a) Por infiltración.
b) Por evaporación.
c) Por manejo del agua en la red de distribución.
a) Las pérdidas por infiltración se producen principalmente en
los cauces naturales de las corrientes y en los canales no revestidos;
sin embargo, en algunos casos de revestimientos agrietados o con
mampostería en mal estado, también pueden ser de mucha
importancia. El monto de estas pérdidas es variable, destacando el
caso de los canales no revestidos, construidos en suelos permeables,
donde pueden ser de mucha consideración .
b) Las debidas a la evaporación son relativamente menores que
las de infiltración; sin embargo, en muchos distritos de riego el área
expuesta a la evaporación en los cauces naturales o canales con
diques, puede ser grande y en consecuencia las respectivas pérdidas
por evaporación son de importancia.
Las fugas por las estructuras, en la actualidad son muy
importantes en la mayoría de los Distritos de Riego debido al mal
estado en que se encuentran. En efecto, en muchas compuertas
radiales sobre desfogues de canales principales y de laterales cerrados
que no se utilizan en un momento dado, el agua que se fuga por el mal
estado de los sellos o por las perforaciones que se han producido
debido a la corrosión del fierro por falta de conservación, puede
representar un porcentaje considerable del agua conducida.
c) Las pérdidas por manejo se producen durante la distribución
del agua, por causas atribuibles a errores del manejo del sistema.
Como en la mayoría de los Distritos de Riego el agua se distribuye de
acuerdo a la demanda, es necesario hacer un programa para solicitar
el agua de las fuentes de abastecimiento; en estos programas se
18
consideran factores de pérdida que varían de acuerdo al estado de la
red de distribución, sin embargo, lo más común es que se consideren
constantes y mayores que los reales, lo que propicia desperdicios, ya
que se solicitan volúmenes mayores que los necesarios. Otros factores
que inciden en estas pérdidas, son el aprovechamiento deficiente de
los volúmenes almacenados en los vasos de los canales de riego y las
variaciones en carga sobre las compuertas que también propician
desperdicios de agua en la red 5.
I.5.- EL ENTORNO CIENTÍFICO Y TÉCNICO DE LA HIDRÁULICA DEL
RIEGO
Ha quedado indicado que las técnicas de riego y avenamiento se
fundamentan en el estudio del transporte de agua a un sistema de cultivo.
En cuanto al contenido que les es propio, su delimitación puede significar
solo un recurso instrumental para disfrutar las ventajas de la división del
trabajo, dentro del marco general de la ingeniería agrícola; pero un
especialista en la ingeniería agrícola del riego no debe perder la conciencia
de su continuidad más allá de sus hipotéticos límites. A tal efecto, conviene
relacionar el contenido de la hidráulica del riego con los de otras diversas
áreas de conocimiento.
Ya han sido mencionados algunos campos que la ingeniería agrícola
comparte con otras ramas de la ingeniería. En el caso de la hidrología. A este
respecto, hay que destacar que las técnicas de riego y avenamiento
modifican las condiciones hídricas naturales en el entorno del cultivo. En
particular, suelo y clima. Conviene pues relacionarlas con otras ciencias
geográficas que también contribuyen a estudiar o a modificar ese medio
natural. Junto a la geología y la geomorfología, la física de medios porosos
que fundamenta el estudio de procesos de filtración. Y, desde luego, aquellas
ciencias agronómicas que estudian variables que influyen en la necesidad de
regar y en las consecuencias de aplicar los riegos: edafología, climatología y
ecofisiología de cultivos 6.
19
En general, la interdependencia entre la ciencia de riego y otras
materias agronómicas se articula en el objetivo compartido de asegurar la
producción de cultivos en términos económicamente competitivos que
aseguren la permanencia de una agricultura sostenible. En particular, hay
que atender a técnicas que pueden fundamentar labores de riego
relacionadas con el balance salino del suelo, o con el de otras sustancias
contaminantes cuyo transporte pueda intervenir el agua: fertilizantes,
plaguicidas, etc.
Conviene también hacer una referencia a materias cuyo contenido
puede desbordar el campo propio de la ingeniería de riego, pero que cubren
sectores esenciales para la misma. En el caso de la ingeniería de
construcción. En particular, la construcción de obras hidráulicas de
regulación y derivación, para asegurar el servicio a sistemas de riego; de
control de avenidas, para asegurar el saneamiento de tierras anegadas, etc.
Aunque a veces se fundamentan en campos científicos muy lejanos a
la hidráulica, también hay que mencionar el acervo tecnológico, a
disposición de los técnicos de riego, en cuanto a sistemas de medición,
control y automatización, tanto en redes de distribución de agua como en el
propio medio físico suelo-cultivo-atmósfera. Su desarrollo incesante significa
una contribución notable a la vitalidad de la ingeniería de riego.
Para terminar esta revisión, puede ser oportuna la referencia a otras
ciencias que instrumentan y fundamentan la ciencia y la ingeniería de los
riegos. Ya ha quedado destacada la importancia de la física como base sobre
la que se sustenta la mecánica de fluidos. Pero, sobre todo, hay que
reconocer que, gracias a los recursos prestados por las matemáticas,
especialmente el álgebra y el cálculo infinitesimal, adquieren forma y
coherencia los logros teóricos y experimentales del riego. El valor auxiliar de
la estadística resulta también esencial al considerar fenómenos que sólo
pueden analizarse con métodos probabilísticas. Es el caso del estudio de la
20
turbulencia, de parámetros climáticos, de distribución de frecuencias de
necesidades de hídricas, de uniformidad en la aplicación del agua de riego,
del riego discrecional, etc. 3.
I.5.1 EL ENTORNO GEOGRÁFICO DEL RIEGO
Estaciones secas se prestan a la agricultura de regadío. Así, las
condiciones edáficas y topográficas de las tierras a regar deben ser
apropiadas para cultivos idóneos, y los tablares donde han de ser aplicados
los riegos deben de ser asequibles a aguas reguladas y distribuidas por las
obras e instalaciones hidráulicas precisas. Garantizada la viabilidad técnica
de una transformación, o de los trabajos de rehabilitación o mejoramiento de
sistemas de riego ya establecidos, aun se requiere que las actuaciones
correspondientes tengan impactos ambiental y socio-económico favorables:
la realización de todas las labores agrícolas deben de ser compatibles con la
conservación del medio, el desarrollo rural debe atender adecuadamente la
problemática social y el mercado ante las cosechas a producir debe ofrecer
una garantía de rentabilidad a las inversiones necesarias. Se pretende, en
definitiva, un desarrollo sostenible. Evidentemente, éste es condicionado por
el nivel tecnológico disponible, pero suelen intervenir también otras
complejas circunstancias más difíciles objetivables que, no obstante, llegan a
veces a determinar la toma de decisión. Es el caso de la política de obras e
instalaciones de infraestructura hidráulica, cuando contribuye a sostener el
regadío con subvenciones a fondo perdido; así mismo, el de la política
agraria, cuando regula arbitrariamente los precios de los productos
agrarios. El resultado de tales actuaciones es una alteración de las
tendencias objetivas de la agricultura del riego, lo que dificulta la formación
de una adecuado estado de conciencia colectiva sobre la autentica
trascendencia del regadío 6.
21
CAPÍTULO II.
MÉTODOS DE MEDICIÓN O AFORO DE
GASTO.
22
II.1.- MÉTODOS DE AFORO.
Como resultado de las múltiples y variadas demandas, se ha ideado
una gran variedad de métodos para aforar o medir gastos. Algunos de estos
métodos requieren aparatos hechos con esmero que son complicados y
costosos, pero también existen otros métodos más sencillos y que
relativamente son menos costosos. Pero el mejor método para usar en un
caso dado depende del volumen de la corriente, de las condiciones bajo las
que se va a hacer el aforo y del grado de exactitud deseado.
A continuación se da una lista de las finalidades más comunes e
importantes de la medición de gastos:
1. Determinar los coeficientes empíricos para las formulas
hidráulicas.
2. Pruebas o ensayos de ruedas hidráulicas.
3. Pruebas de bombas.
4. Determinación de los desperdicios o fugas en las tuberías
principales de las ciudades.
5. Registros continuos de caudal o gasto en las tuberías de
distribución de las ciudades.
6. Registros continuos del gasto o caudal de una corriente.
7. Determinación de los caudales de inundación o avenida en las
corrientes naturales.
8. Determinación de la cantidad entregada para irrigación o riego.
9. Determinación del gasto de pozos o manantiales.
10. Determinación de la filtración o transmisión del agua
subterránea.
23
En la determinación de los coeficientes empíricos es esencial una
exactitud extremada en las mediciones. Los experimentos sobre corrientes
pequeñas se llevan a cabo por lo general en laboratorios, bajo condiciones
favorables, pero los coeficientes para conductos y estructuras hidráulicas
grandes tienen que verificarse generalmente bajo las condiciones de obra que
no se prestan mucho a la exactitud. La prueba de la rueda hidráulica
requiere el empleo de métodos de aforo más exactos y refinados, ya que estas
medidas son la base de la determinación de los rendimientos de la planta o
central. Las pruebas de las bombas requieren un grado de exactitud
semejante. Las medidas que se efectúan en las tuberías de distribución de
las ciudades se hacen por lo general con algún tipo de contador o medidor
registrador de caudales. Los registros continuos del caudal de las corrientes
requieren aforos periódicos en los caudales no será esencial una exactitud
extrema en las mediciones individuales, siempre que los errores se
compensen y no sean acumulativos. Los aforos en las avenidas e
inundaciones son extremadamente difíciles y, por lo general se emplean
métodos aproximados. La medición de agua para irrigación o riego es de
importancia creciente en los distritos de riego en donde el agua es valiosa y
el impedir su desperdicio es una necesidad económica, pero los métodos
aproximados de aforo se consideran satisfactorios. Las corrientes de
manantial y las que proceden de pozos son generalmente pequeñas, y su
aforo exacto no es difícil. Por lo tanto en general, todos lo métodos de
medición de corrientes de agua pueden clasificarse en una de las dos
divisiones que, junto con una lista de métodos más importantes
comprendidos en cada una, se indican a continuación:
1. Métodos de área-velocidad
a. Medidor de corrientes o aforador.
b. Tubo de pitot.
c. Flotadores.
d. Pantalla corrediza.
e. Método del color o la velocidad del color.
f. Método de la velocidad de la sal.
24
2. Métodos del gasto o del caudal directo
a. Gravimetrico.
b. Volumétrico.
c. Con vertedores.
d. Con orificios.
e. Método de Gibson.
f. Medidor o contador Venturi.
g. Tubo con orificio.
h. Boquilla medidora de gasto.
i. Método del tubo California.
j. Canaleta de aforos Venturi.
k. Abertura con sección contraída.
l. Medidor o contador de control.
m. Aforo químico.
n. Aforador Parshall.
o. Aforador venturi.
En general, el aforador, los flotadores, la pantalla corrediza, el
vertedero, los orificios la canaleta Venturi y el aforador Parshall y el venturi
se emplean en aforos en canales abiertos. Mientras tanto el método del color,
el de velocidad de la sal, el de Gibson, en contador Venturi, el orificio de
tubo, la boquilla de gasto y el método del tubo California se emplean para
medir el gasto en tuberías. Los tubos de Pitot y el aforador químico se usan
tanto en conductos abiertos como en cerrados. Los orificios se usan solo
para medir cantidades de agua relativamente pequeñas 7.
En esta ocasión mencionaremos los que se emplean en canales
abiertos.
25
II.1.1.- EL AFORADOR
A este elemento se le conoce como aforador o medidor de corriente,
funciona con una serie de aspas o copas tipo price impulsadas por la
corriente. La rapidez de su rotación varía con la velocidad del agua. Hay
varios dispositivos para determinar la velocidad del agua. Por lo general se
hace a base de un mecanismo que, por cada revolución o un número
determinado de revoluciones en donde se habré y cierra un circuito eléctrico
que comprende un receptor telefónico u otro aparato eléctrico adecuado para
registrar (Figura 2.1).
Las características que conviene reúna un aforador son:
o Ser tan pequeño como sea posible.
o Las corrientes parásitas deben de ser mínimas.
o El rozamiento debe de ser pequeño.
o No deben de influir en él las corrientes verticales.
o Debe funcionar solamente bajo la acción de la
componente hacia delante de las corrientes.
Figura 2.1 Aforador de hélices.
26
II.1.2.- LOS FLOTADORES
Estos pueden ser objetos flotantes cualesquiera, adquieren
prácticamente la misma velocidad que el agua al contacto con ellos, y se
emplean por tanto, para medir la velocidad en la trayectoria que recorren. Se
emplean tres clases de flotadores: de superficie, de subsuperficie y de bastón
o varilla.
Los de superficie; es cualquier objeto que flote con su centro de
gravedad cerca de la superficie libre del agua.
Los de subsuperficie; consiste en uno de superficie unido por un cable
a otro sumergido mayor, de tal peso que mantenga tirante el cable sin
hundir el flotador de superficie. Este flotador tiene poco valor para los aforos
de corrientes. Por lo general se usan para determinar la velocidad y la
dirección de las corrientes subsuperficiales en lagos, puertos u otras grandes
masas de aguas.
Los de bastón o baril; se construyen con palos de madera o cilindros
metálicos huecos contrapesados en un extremo de manera que floten
aproximadamente en posición vertical con el extremo sin contrapeso
saliendo ligeramente de la superficie del agua. Deben acercarse lo más
posible al fondo del canal sin que lo toquen en algún punto de su
trayectoria. Estos flotadores son más satisfactorios en canales artificiales o
en las corrientes naturales de sección rectangular.
27
II.1.3.- PANTALLA CORREDIZA
Este método se adapta solamente a canales abiertos de sección
transversal muy rectangular. El trabajo previo es bastante laborioso, pero
cuando el aparato ha sido instalado puede emplearse para tantas
observaciones como se deseen.
Una ligera pantalla de lona, barnizada para impermeabilizarla, se
suspende con un bastidor rígido de un carrito con ruedas montadas sobre
rieles situados a lo largo de los márgenes del canal. La velocidad con la que
se mueve la pantalla debe ser necesariamente a la velocidad media del agua
que la impulsa. Se asegura su movimiento libre por medio de una pequeña
holgura, de unos 12mm. La distancia en que puede moverse la pantalla
queda limitada a la longitud del tramo de sección recta uniforme.
Generalmente se dispone de contactos eléctricos al principio y al final del
tramo, y se registra automáticamente el tiempo empleado en el recorrido.
Teóricamente el resultado debe corregirse por las fugas alrededor de la
pantalla, pero el error que se comete despreciando esta corrección es
pequeño. El gasto es el producto de la sección transversal de la corriente por
la velocidad de la pantalla.
28
II.1.4.- CANALETA DE AFOROS VENTURI
Este es un método que aplica el principio de Venturi a la medición de
gastos en canales abiertos; una canaleta Venturi consta de una parte de
contracción gradual que conduce a una sección reducida, o garganta, a la
que sigue otra parte de ensanchamiento gradual. En la siguiente figura se
ilustra con la diferencia de que en la verdadera canaleta Venturi su fondo se
coloca sustancialmente con la pendiente del canal y tanto en la entrada
como en la garganta lleva pozos amortiguadores para medir la carga. La
diferencia de los niveles en los dos pozos presenta el cambio de carga
potencial a carga de velocidad más el rozamiento y es una medida del gasto.
A demás representa una canaleta de sección trapecial, pero la sección puede
ser rectangular, triangular o de cualquier otra forma regular.
La canaleta Venturi se adapta particularmente a la medición de agua
para irrigación. Sus ventajas sobre el vertedero son que no retiene
materialmente el agua en el canal y que su exactitud no se perjudica por los
depósitos de cieno u otros arrastres.
29
II.1.5.- ORIFICIOS
Un orificio en sentido hidráulico, es una abertura practicada en la
pared o en el fondo de un deposito, a través de la cual sale el liquido
contenido en dicho deposito, manteniéndose el contorno del orificio
totalmente sumergido, por de bajo de la superficie libre del agua (figura 2.2).
Figura 2.2 Orificio totalmente sumergido.
Los conceptos fundamentales a recordar en relación con una
clasificación de los orificios son:
Según las condiciones de deposito, orificios de nivel constante o
variable.
Con respecto al espesor de sus paredes, se dividen en pared delgada o
gruesa. En los primeros, el espesor de la misma es menor que la mitad de la
dimensión menor del orificio, no debiendo exceder el grosor de la pared de 4
a 6 cm, aun para los mayores. Se consideran que están en pared gruesa
cuando no se cumplan estas condiciones (Figura 2.3).
30
Figura 2.3 Orificio de pared gruesa.
No obstante el espesor de dicha pared puede ser mayor y conservar el
orificio, el carácter de pared delgada cuando sus bordes están biselados de
tal manera que se evite el contacto del agua con las paredes (Figura 2.4).
Figura 2.4 Orificio con bordes biselados.
Con respecto al nivel aguas arriba se distinguen dos tipos: con
vertedero y con carga. En los primeros el nivel aguas arriba es inferior al
borde superior del orificio. Lo contrario ocurre en los segundos.
Se denominan orificios con contracción completa aquellos en el que el
coeficiente del gasto es menor, y por lo tanto también lo es el caudal vertido.
La contracción mayor se produce cuando la distancia de sus bordes a las
paredes y al fondo del recipiente no es menor de dos o tres veces su
dimensión menor y, además, la carga sobre los mismos deberá ser, por lo
menos, tres veces superior a dicha medida. En caso contrario, se dice que
tienen contracción incompleta.
31
II.1.6.- VERTEDORES
Se le llama vertedor a un dispositivo hidráulico, que consiste en una
escotadura a través de la cual se hace circular el agua. Desde el punto de
vista hidráulico, es un orificio descargado parcialmente lleno (Figura 2.5)
Figura 2.5 Vertedor parcialmente lleno (vista frontal y superior).
Se le denomina umbral, cresta o coronamiento, indistintamente al
borde superior, esta puede ser biselada (Figura 2.6) sobre el que el líquido
escurre. La longitud de la cresta se le llama largo del vertedero 8.
II.1.6.1.- CLASIFICACIÓN
Los vertedores se pueden clasificar:
Según su geometría.
a) Vertedores rectangulares.
b) Vertedores triangulares.
c) Vertedores trapeciales.
32
Según su funcionamiento hidráulico.
a) Descarga libre.
b) Descarga ahogada.
c) Con contracciones laterales.
d) Sin contracciones laterales.
e) Con velocidad de llegada.
f) Sin velocidad de llegada.
Según su perfil.
a) Pared delgada.
b) Pared gruesa.
Según su planta.
a) Cresta recta.
b) Cresta curva.
c) Cresta combinada.
Figura 2.6 Vertedor de pared delgada biselada.
33
II.2.- EN SECCIONES CRÍTICAS.
Los aforadores que se utilizan en secciones criticas son los tipos
Venturi y Parshall, que son estructuras mediante las cuales un
estrechamiento provoca una sección de control, que en general es una
sección critica, donde la energía especifica es mínima, formándose después
un salto hidráulico para pasar nuevamente a régimen tranquilo.
II.2.1.- AFORADOR PARSHALL
Por ser uno de los aforadores en canales más exactos, a continuación
se describe más detalladamente:
La dificultad de contar con un dispositivo cuya precisión fuera la
adecuada para el aforo de canales de riego, fue resuelto satisfactoriamente
por el ingeniero Ralph L. Parshall de la Estación Agrícola Experimental de
Colorado, E.U.A. quien desde 1920 continuo las investigaciones de V.M.
Cone en su Medidor de Venturi, introduciendo modificaciones que le
condujeron a construir una estructura completamente diferente que
presentaba grandes ventajas sobre la estructura ideada por Cone, y llamo
Conducto Medidor de Venturi Mejorado, pero mas tarde su nombre fue
cambiado oficialmente pues tomando en cuenta la labor desarrollada por
Parshall, por recomendación del comité de Riegos de la Sociedad Americana
de Ingenieros Civiles y con la aprobación del Departamento de Agricultura de
los Estados Unidos y de la Estación Experimental de Colorado, se acordó
designar a la nueva estructura con el nombre de Conducto Medidor Parshall 9.
El medidor Parshall ha tenido una gran aceptación como estructura de
aforo debido a las grandes ventajas que presenta y entre las cuales podemos
enumerar las siguientes:
34
1. El diseño de la estructura es demasiado simple y por lo
tanto su construcción resulta barata especialmente si se le sitúa en
lugares que deben ser provistos de revestimiento o si se le combina
con algunas otras estructuras tales como caídas, sifones u otra clase
de cruces etc.
2. La estructura trabaja eficientemente aun teniendo gran
variación en el gasto pues tanto para gastos pequeños como grandes,
su determinación se hace con bastante exactitud utilizando las formas
empíricas que Parshall obtuvo después de efectuar numerosos
experimentos. Estas formulas comprenden bastante amplitud en
condiciones de trabajo de la estructura y con ellas se puede
determinar el gasto con bastante precisión pues cuando el medidor
trabaja ahogado, el error no pasa del 5% y cuando trabaja con
descarga libre, el error es menor del 3%.
3. El problema del azolve aguas arriba de la estructura y en
la estructura misma es eliminado debido a que el aumento de la
velocidad la mantiene libre de obstrucciones conservando siempre su
misma precisión.
4. La velocidad de llegada no tiene influencia prácticamente
en la determinación del gasto y por lo tanto se puede prescindir de las
cámaras de reposo.
5. La perdida de carga es muy pequeña en comparación con
las que se originan en otras estructuras de aforo.
35
II.2.1.1.- DESCRIPCIÓN DE SU ESTRUCTURA.
El medidor Parshall esta constituido por tres partes fundamentales
que son:
1. sección de convergencia.
2. sección de garganta.
3. sección de divergencia
(Figura 2.7)
Figura 2.7 Aforador Parshall seccionado.
La primera esta formada por dos paredes verticales simétricas y
convergentes, y de un fondo o plantilla que es horizontal.
La segunda esta formada también por dos paredes también verticales
pero paralelas, y el fondo es inclinado hacia abajo con una pendiente de
2.67:1.
36
La tercera esta formada por dos paredes verticales divergentes y el
fondo son ligeramente inclinados hacia arriba.
Hay que hacer notar que tanto las paredes como el fondo son planos, y
a la arista que se forma por la unión del fondo de la entrada y el de la
garganta se le llama Cresta del Medidor y a su longitud (o sea la distancia
entre las paredes de la garganta) se le llama Tamaño del Medidor y se le
designa por la letra W. (Figura 2.8)
Figura 2.8 Aforador Parshall en planta y perfil.
37
Las fórmulas para el cálculo de medidores que Parshall da a conocer,
son simplemente empíricas y fueron establecidas mediante el análisis de los
resultados obtenidos en numerosos experimentos efectuados, usando
medidores de distinto tamaño, y aun cuando al aumentar la capacidad de
los medidores Parshall no hizo variar las dimensiones de las estructuras
siguiendo una ley definida, si no que lo hizo de una manera mas o menos
arbitraria, encontró que una misma fórmula daba el gasto en medidores
cuyo tamaño estaba comprendido entre ciertos limites y por lo tanto el
fenómeno natural no se altero por la forma irregular de variar las
dimensiones, pues que mantenía una misma expresión matemática, por
ejemplo, comprobó que el gasto se obtenía de una misma formula en
medidores cuya amplitud en la garganta estaba comprendida entre uno y
ocho pies, y con otra formula en medidores cuyo tamaño estaba
comprendido entre 10 y 50 pies. Cosa parecida aconteció con otros
fenómenos naturales, por ejemplo la pérdida de carga en el medidor.
Teniendo en cuenta lo anterior, es evidente que las mismas fórmulas
que fueron encontradas por Parshall en sus experimentos para las
estructuras que utilizo, son igualmente validas al tratarse de otras
estructuras de dimensiones intermedias a las empleadas para obtener
dichas fórmulas y por lo tanto el diseñar un medidor Parshall es únicamente
un proceso de interpolación para encontrar las dimensiones del medidor
deseado, utilizando para hacer tal interpolación los valores de las
dimensiones de los medidores con los cuales Parshall experimento.
38
II.2.1.2.- FUNCIONAMIENTO.
Los muros convergentes de la entrada guían suavemente los filetes de
la vena liquida hasta la cresta, que propiamente es la sección de control, en
donde debido al cambio brusco de la pendiente en el piso de la garganta, el
agua escurre con un mínimo de energía, es decir con la profundidad crítica
cuando el escurrimiento es libre, que es uno de los dos casos de
escurrimiento que pueden efectuarse en la estructura, el otro es el de
escurrimiento con sumergimiento o ahogado.
Al entrar el agua en el medidor, debido a que la sección va
reduciéndose, su velocidad va en continuo aumento, pues al llegar a la
cresta del medidor se precipita siguiendo el piso descendente de la garganta,
hasta que al salir de ella comienza a perder velocidad y como esta es menor
en el canal aguas abajo, resulta que debe producirse un salto hidráulico
cerca del extremo inferior de la garganta. La localización de este salto es
variable con el gasto que pasa por el medidor, pues para un gasto muy
pequeño o muy grande, el salto se localizará mas lejos o mas cerca de la
garganta, consecuentemente con la cual la carga Hb variara haciéndose mas
pequeña o aumentando teniendo a ser igual a Ha. La localización del salto
es afectada igualmente por la elevación de la cresta sobre la plantilla del
canal así como también por las diferentes elevaciones de la plantilla en los
canales aguas arriba y aguas debajo de la estructura.
Cuando la carga Hb es considerablemente menor que la carga Ha, se
dice que el medidor trabaja con Descarga Libre y en este caso el gasto es
función únicamente de la carga Ha de la entrada; pero cuando la carga Hb
defiere poco de larga Ha se dice que el medidor trabaja con sumergimiento y
entonces el gasto es función de las dos cargas Ha y Hb, (Tabla 2.1)
A la relación S = Ha / Hb se llama Grado de sumergimiento y es la
que determina si en un momento dado el medidor trabaja con descarga libre
39
o con sumergimiento, estas características de escurrimientos, están
determinadas con los siguientes valores limites:
TAMAÑO DEL
MEDIDOR
DESCARGA
LIBRE
CON
SUMERSION
W menor de
0.30m S menor que 0.60 S de 0.60 a 0.95
W entre 0.30
y 2.50m S menor que 0.70 S de 0.70 a 0.95
W entre 2.50 y
15.00m S menor que 0.80 S de 0.80 a 0.95
Tabla 2.1 Tamaño del medidor-Descarga libre- Sumersión.
Las investigaciones de Parshall demostraron que cuando el grado de
sumergimiento es mayor a 0.95, la determinación del gasto se vuelve muy
incierta debiendo adoptarse por lo tanto 0.95 como valor máximo de S.
Es de recomendarse que un medidor trabaje con descarga libre por
que entonces para calcular el gasto será suficiente conocer solamente la
lectura de la carga Ha para sustituirla en la expresión general:
Q = m Han ………………(1)
En donde los valores de m y n varían con el tamaño del medidor
(Tabla 2.2).
40
W
metros m n
W
metrosm n
0.15
0.30
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
0.3812
0.680
1.161
1.774
2.400
3.033
3.673
4.316
4.968
6.277
7.352
8.498
9.644
1.580
1.522
1.542
1.558
1.570
1.579
1.588
1.593
1.599
1.608
1.600
1.600
1.600
4.50
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
10.790
11.937
14.229
15.522
18.815
21.107
23.400
25.692
27.985
30.278
32.570
34.863
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
1.600
Tabla 2.2 Valores de m y n, en unidades métricas.
II.2.1.3.- SELECCIÓN E INSTALACIÓN DEL MEDIDOR.
Para el cálculo de un proyecto e instalación de un medidor Parshall se
conduce únicamente a comparar la relación del par de valores, tamaño W y
pérdida de carga correspondiente, que tienen lugar en diferentes tamaños
de medidores, con el objeto de escoger a aquel que presente mayores
ventajas.
41
Es necesario conocer de antemano el gasto máximo que la estructura
esta destinada a medir, para esto es necesario seleccionar varios tamaños de
medidores que sean capaces de medir ese gasto, para así seleccionar de
entre estos tamaños el más adecuado, ya que se tiene que tomar en cuenta
lo siguiente:
Desde el punto de vista de la economía en la construcción de la
estructura, el menor de los medidores con la capacidad requerida será el
mas favorable, por otra parte, un medidor demasiado grande resultara
impreciso toda vez que en este, a una variación pequeña en la carga
corresponde una variación considerable en el gasto, sin embargo, hay otras
consideraciones que hacen que en la mayoría de los casos, el medidor que
se instaló no es el mas pequeño, ya que este podría originar una perdida de
carga fuerte, que se traduce en un incremento en el tirante y la disminución
de la velocidad puede corresponder un deposito de azolve, por otra parte,
puede poner en peligro la estabilidad de los bordos, y también si el medidor
esta colocado cerca de la bocatoma que alimenta el canal lateral en donde
esta instalado, ese aumento de tirante en el lateral requiere el mismo
aumento del tirante en el canal principal, lo cual no siempre es posible y en
consecuencia la derivación de este es un gasto menor que aquel para el cual
fue proyectado el lateral.
Otra consideración que a menudo obliga instalar un medidor de
tamaño mayor que el mínimo necesario, es la fuerte velocidad que se
produce a la salida que es tanto mayor cuanto menor sea el tamaño del
medidor, y con el objeto de evitar erosiones aguas debajo de la estructura, a
veces se tiene que colocar un revestimiento que eleva el costo de instalación
y es necesario optar por un tamaño un poco mayor, lo que también reduce la
longitud de las paredes laterales o aleros cuando estos sean necesarios.
Usualmente el tamaño del medidor varía de 1/3 a 1/2 del ancho de la
plantilla del canal cuando se trata de canales rectangulares pequeños, y de
2/3 aproximadamente cuando se trata de canales trapeciales.
42
El buen funcionamiento de la estructura no solo depende de un
tamaño adecuado sino también de una correcta instalación, y para ello es
necesario conocer de antemano la perdida de carga que origina la estructura
para adoptar una correcta elevación de la cresta sobre la plantilla del canal,
pues se corre el riesgo de colocar el medidor demasiado abajo haciendo así
que aun para gastos pequeños trabaje a sumergimiento, o bien demasiado
alto, con lo cual, además de elevar innecesariamente el tirante aguas arriba
del medidor se aumenta excesivamente la velocidad en la salida, que puede
causar erosiones en el canal.
En resumen, el cálculo de un medidor Parshall, se reduce a escoger la
estructura más adecuada, teniendo en cuenta las consideraciones anteriores
dentro del siguiente análisis:
Cuando el tamaño del medidor se disminuye, se disminuye también la
elevación de la cresta sobre la plantilla del canal y a mayor gasto
corresponde mayor grado de sumergimiento, así que se tendrá que tomar en
cuenta que para un correcto funcionamiento del medidor, nunca debe
hacerse trabajar con un grado de sumergimiento mayor que 0.95 y de ser
posible se procurara que trabaje siempre con descarga libre 9.
43
II.2.2.- AFORADOR VENTURI
II.2.2.1.- DEFINICIÓN
El Venturi es un dispositivo para la evaluación de caudales, usado en
la mecánica de fluidos. Este consta de un conducto convergente y un
conducto divergente, unido por otro denominado garganta, el cual ocasiona
un estrangulamiento de la vena liquida, dando como resultado una
diferencia de presiones. Conociendo las características geométricas del
venturímetro y la diferencia de presiones en la entrada y en la garganta,
podemos determinar el gasto que fluye a través del canal 4.
II.2.2.2.- DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA
Es un dispositivo en condiciones completamente de servicio de un
aforador de canales Venturi. Su efectividad se consigue mediante un
estrechamiento horizontal en la sección del canal que se compone de:
• Base de aluminio.
• Tubo de plástico (Empaque).
• Tres tornillos.
• Dos cuerpos laterales de plexiglas (Con ello es posible una
buena vista en la sección del estrechamiento), (Figura 2.9).
Figura 2.9 Componentes
44
La unidad accesoria del dispositivo Venturi abarca dos paneles de
Plexiglás, que se ranuran en un embase para proporcionar la contracción
horizontal de la sección representativa del canal. El dispositivo se diseña
para la instalación en el canal hidrodinámico de pendiente variable (Foto
2.1 y 2.2).
Los procesos de flujo pueden observarse muy claramente. Además de
la medición del caudal, se puede realizarse una comparación energética
según Bernoulli 10,11.
Foto 2.1 (Vista superior del venturí). Foto 2.2 (Vista frontal del venturí).
II.2.2.3.- ENSAMBLE
Como primer paso debe asegurar la base del Venturi en la base del
canal hidrodinámico de pendiente variable, con los tornillos antes
mencionados en sus respectivos lugares.
Después unir los lados de los paneles a su respectivo lado derecho o
bien izquierdo, poniendo atención en la dirección del flujo.
Inserte adecuadamente el tubo de plástico a un lado de los paneles
(Figura 2.10).
45
Importante: Arme y desarme el equipo solamente cuando el canal no
tenga agua, ya que esto ocasionará goteos y el barrido de las piezas 10,11.
Figura 2.10 Ensamble
II.2.2.4.- SEGURIDAD
Las pequeñas piezas no deben ser introducidas al dren del flujo del
modelo ya que la fuerza centrifuga de la bomba puede destruir las piezas, y
al mismo tiempo dañarla, por lo que se deben de acatar las siguientes
normas:
a) Arme y desarme el equipo cuando el canal no tenga agua.
b) Tener cuidado de no olvidar las piezas pequeñas en el canal, ya
que podría afectar el equipo.
c) Siempre arregle las goteras o los desperfectos que pueda tener el
canal, ya que este tendrá un mejor rendimiento.
d) Los paneles no se deben de limpiar con materiales abrasivos.
46
II.2.2.5.- ESTADO SUBCRÍTICO Y SUPERCRÍTICO
Para entender el modo del funcionamiento del Venturi es necesario
saber los dos estados básicos del flujo de un curso del agua :
*Subcrítico
*supercrítico
La salida subcrítica se caracteriza en que la velocidad de la onda, que
como sabemos es dependiente en la profundidad del agua, es más alta que la
velocidad del flujo (Figura 2.11).
Figura 2.11 Velocidad de la onda en el agua.
En contraste, en el caso de la salida supercrítica se invierte la
situación: la velocidad de la onda es más baja que la velocidad del flujo del
curso del agua. Esto significa que un disturbio en el agua en sentido
descendiente, como es accionado por una onda, no puede influenciar el agua
en aguas arriba en el caso de supercrítico, o en otras palabras: ¡las ondas
no se pueden propagar contra la corriente en salida supercrítica (Figura
2.12).
47
Figura 2.12 Dirección del fujo en el canal con Venturi.
(Vista superior)
II.2.2.6.- FUNCIONAMIENTO
En relación a la medición el Venturi tiene una gran ventaja con
respecto a otros aforadores similares, y es que no tiene riesgos de depósito
de sedimentos por su tipo de funcionamiento (Figura 2.13)
Figura 2.13 Contracción en el medidor Venturi.
48
II.2.2.7.- DATOS TÉCNICOS
Base:
Material: Aluminio anodinado.
Dimensiones (L x W x H):
330 x 84 x 10 mm.
Paneles laterales del venturi (x 2):
Material: Plexiglás
Dimensiones (L x W x H):
22 x 250 x 280 mm (Figura 2.14)
Figura 2.14 Sección baja del Venturi (Dimensiones).
49
II.2.2.8.- DETERMINACIÓN DE LA ECUACIÓN PARA EL VENTURI.
El cálculo del caudal (Q) por medio del Venturi se basa en la ley de la
continuidad entre las secciones representativas 1 y 2 del canal (Figura 2.15).
Figura 2.15 Sección representativa para el calculo del caudal.
Q1 = Q2……………….(2)
v1 * b1 * h1 = v2 * b2 * h2………………..(3)
DONDE:
v1- Velocidad del agua en la sección representativa del canal.
b1- Anchura del canal en la sección representativa.
h1- Nivel del agua en la sección representativa.
50
Si estos resultados se combinan con ley de Bernoul1i entre las
secciones representativas 1 y 2, el último resultado es la fórmula de salida
para el venturimetro es:
v1 + h1 = v2 + h2………………(4)
Donde h1 y h2 son las alturas piezometricas en las secciones 1 y 2.
Ahora bien, según la ecuación de continuidad:
v1 * b1 * h1 = v2 * b2 * h2 = v2 * b2 * 2/3 * h1…………………(5)
y finalmente
Q = µ * C * b2 * √g * h13/2......................(6)
Significados:
Q - Gasto.
µ - Coeficiente de la salida, en el canal Venturi es: µ = 0.985
b2 - Contracción lateral del Venturi.
g - Aceleración del canal del venturi debido a la gravedad (g=9.81 m/2)
C - Coeficiente para la contracción
h1 - Altura del canal contracorriente desde la entrada del Venturi.
El coeficiente C es dependiente en el cociente de la contracción en la
horizontal.
51
Indicaciones.
Debido a la anchura pequeña del canal en el saetín de enseñanza
multiusos de HIVI 160, las pérdidas de la fricción son de gran importancia.
Sin la calibración apropiada del metro de flujo del canal del Venturi es
virtualmente imposible obtener medidas exactas del flujo, ya que en el área
angosta del Venturi el flujo del agua es "supercrítico" 10,11.
52
CAPÍTULO III.
CANAL HIDRODINÁMICO DE PENDIENTE
VARIABLE.
53
III.1 GENERALIDADES DEL CANAL.
El canal hidrodinámico es un equipo básico de composición modular
con el que se pueden hacer numerosos ensayos visibles al comportamiento
de las corrientes. Este ofrece muchos aspectos interesantes de la
investigación y de la teoría y con el uso de amplios accesorios, la
posibilidad de realizar ensayos en todos los sectores de la hidráulica. El
cual utilizamos para poder desarrollar las pruebas que finalmente nos
proporcionen los datos característicos del fluido, y a partir de estos,
obtengamos los coeficientes de gasto para el medidor venturí, en el cual
realizamos los ensayos (Foto 3.1).
Foto 3.1. Vista general del Canal de flujo de pendiente variable.
54
De manera general la unidad consta de un canal de 5 m. montado
sobre un pedestal de inclinación y un pedestal de soporte fijo, donde se
encuentran el tablero central de accionamiento o interruptor, una bomba
centrífuga, y el medidor de flujo (rotámetro).
El equipo nos permite una vista completa a lo largo del canal, por la
transparencia de las paredes, en el que podemos observar la circulación
del flujo suministrado adecuadamente por el conjunto de la bomba
centrifuga, una válvula de control de gasto y el rotámetro.
Si utilizamos toda la sección transversal del canal como efectiva,
circula un caudal de 4.83 lt/s y alcanza una velocidad de 0.187 m/s. El
pedestal de inclinación lo podemos ajustar desde un 3% hasta un -5% en
dirección longitudinal a través de un volante, así se puede encauzar el
flujo o se puede simular un gradiente natural.
55
III.1.1 ELEMENTOS DEL CANAL.
Los diferentes elementos que hacen posible la circulación, regulación
y medición del flujo son los siguientes (Figura 3.1).
Figura 3.1. Elementos del Canal de flujo de pendiente variable.
1. Canal de flujo.
2. Depósito de entrada.
3. Rejilla disipadora de energía.
4. Tanque de salida.
5. Tanque de almacenamiento
6. Rotámetro.
7. Válvula de control de gasto.
8. Pedestal de soporte fijo.
9. Tubería.
10. Válvula de desfogue.
11. Pedestal de inclinación.
56
Las funciones y características que realizan algunos de estos
elementos son:
BOMBA CENTRÍFUGA.
Es la bomba que se encarga de impulsar el flujo del tanque
almacenador al canal hidrodinámico, por medio del sistema eléctrico a
través de la tubería. Se encuentra en el pedestal de soporte fijo (Foto 3.2a
y 3.3b).
Foto 3.2 Bomba en el pedestal de soporte fijo.
Foto 3.3 Bomba centrífuga, motor (120 VAC, 60Hz).
57
ROTÁMETRO.
Ubicado en el pedestal de soporte fijo, este mide el caudal en un
rango de 0 m3/hr (0%) a 10 m3/hr (100%), o flujo máximo. La cantidad de
flujo se registra con la parte superior del cono magnético-inductivo que
está dentro del rotámetro (Figura 3.2, Foto 3.4).
Figuras 3.2. Rotámetro. Foto 3.4. Medidor de flujo (rotámetro).
a) Cono magnético-inductivo.
58
PEDESTAL DE INCLINACIÓN.
Funge como soporte en el otro extremo del canal y es el que otorga
la inclinación a pendientes o gradientes (3% a –5%), consiste de una base
trapezoidal de la cual se levanta un vástago, por medio de un volante
(Fotos 3.5a y 3.5b).
Foto 3.5a. Pedestal de inclinación. Foto 3.5b. Vernier de pendientes.
59
DEPÓSITO DE ENTRADA
La entrada del flujo se realiza bajo condiciones de vorticidad nula, es
decir que el flujo entra de manera tranquila; aunado a la conservación de
la sección hidráulica, se mantiene un perfil de velocidad constante y se
desarrolla entonces en un curso plano a través de todo el canal
permaneciendo el mismo nivel de agua y presión atmosférica. (Fotos 3.6a,
3.6b).
Depósito de entrada
Foto 3.6a. Acercamiento al depósito de entrada.
Electronivel
Rejilla
Foto 3.6b. Vista superior del depósito de entrada con control de nivel.
60
CANAL DE FLUJO.
Cuenta con una sección transversal de 8.6 cm de ancho y 30 cm de
profundidad, a lo largo del canal se encuentran 8 válvulas que trabajan
como sujeciones a los accesorios del equipo como es el caso de las
compuertas, y también como bases para sensores que al estar instalados
debajo del canal evitan las pérdidas de agua que se lleguen a generar,
cuando se termine alguna operación con el canal (Foto 3.7).
Foto 3.7. Vista longitudinal del canal de flujo.
61
TABLERO CENTRAL DE ACCIONAMIENTO O INTERRUPTOR.
Este se encuentra en el soporte fijo del canal, alojando a todos los
componentes necesarios para operar el sistema eléctrico y accionar el
motor de la bomba (Fotos 3.8a y 3.8b).
Figura 3.8a. Esquema del tablero de control.
Foto 3.8b. Localización del tablero en el pedestal de soporte.
62
TANQUE DE SALIDA.
La salida de flujo, conduce al flujo que emerge del canal al tanque
almacenador para su posterior recirculamiento (Foto 3.9a).
Depósito de salida
Foto 3.9a. Vista general del tanque de salida.
El flujo se retiene en la salida gracias a un prototipo de represa en
el arribo a esta, que evita un reflujo hacia el canal (Foto 3.9b).
Electronivel
Foto 3.9b. Vista superior del tanque de salida y componentes.
63
TANQUE ALMACENADOR.
Aquí se puede observar el deposito de agua donde después de haber
recorrido esta por todo el canal vuelve a llegar al deposito para seguir
siendo bombeada (Foto 3.10a).
Foto 3.10a. Vista del tanque almacenador conectado a la bomba y al tanque de salida
Depósito de agua utilizada para hacer ensayos en el canal
hidrodinámico, el cual garantiza el abastecimiento del líquido en el canal
(Foto 3.10b).
64
Foto 3.10b. Vista del tanque almacenador lleno.
II.1.2 CICLO DEL FLUJO EN EL CANAL HIDRODINÁMICO DE
PENDIENTE VARIABLE.
Una vez suministrado el fluido en el tanque que almacena 2 veces la
capacidad de canal, se inicia un circuito cerrado de flujo, que se genera al
encender con el interruptor el motor de la bomba misma que impulsa al
flujo fuera del tanque y este pasa a través del rotámetro donde es medido
una vez regulado por la válvula de control (Figura 3.3).
65
Figura 3.3 Ubicación de la bomba, válvula, rotámetro y tablero de control.
1. Bomba centrífuga.
2. Válvula.
3. Rotámetro.
4. Tablero de control.
El flujo circula por la tubería (Foto 3.11) hasta llegar al depósito de
entrada, fluye por todo el canal y finalmente arriba a la pantalla disipadora
donde se drena en el tanque de salida hasta llegar al tanque almacenador
para su recirculamiento mientras el interruptor se mantenga en
encendido.
66
Foto 3.11. Tubería que accesa al depósito de entrada (vista inferior del canal).
El flujo puede ser regulado por una válvula de control de gasto (Foto
3.12) y medirse a través del rotámetro. Para impedir que el agua se eleve al
máximo nivel de 25 cm. existen unos controles de nivel en el depósito de la
entrada y en el tanque de salida de flujo que interrumpen la circulación
antes del desbordamiento.
Figura 3.12. Válvula de control.
67
En cualquier sitio del canal, se puede instalar el medidor Venturi,
siempre y cuando se respete la dirección del flujo (Figura 3.4).
Figura 3.4 Esquema del canal de flujo y circulación del caudal.
68
III.2 MEDIDOR VENTURI.
El medidor Venturi es el elemento que combinado con el canal
hidrodinámico de pendiente variable proporciona los datos para la
obtención del coeficiente de gasto en condiciones de descarga. Además en
la placa base de colocación de los plexiglas laterales que conforma el
dispositivo de medición Venturi, se puede observar claramente la sección
de convergencia, sección de garganta y la sección de divergencia. (Foto
3.13).
Foto 3.13 Medidor Venturi en el canal.
Es un modelo de un aforador de canales Venturí. Su efectividad se
consigue mediante un estrechamiento horizontal de la sección del canal.
Los procesos de flujo pueden observarse muy claramente, además de la
medición del caudal.
69
Esta compuesto de:
o Una placa base de aluminio,
o 2 plexiglas laterales,
o Un tornillo de expansión,
o Tornillos de fijación
o Empaque de plástico.
Con una dimensiones de: LxAnxAl: 1600x590x800mm (Foto 3.14a y
3.14b).
Foto 3.14a. Vista superior del Venturi.
70
Foto 3.14b. Vista frontal del Venturi.
Introducción del equipo Venturi al canal hidrodinámico para la
realización de ensayos correspondientes, en donde se coloca primero la
base y posteriormente los plexiglas laterales con empaques para evitar
filtraciones y enseguida la colocación de los tornillos para ajustar al canal.
(Foto 3.15ª y 3.15b).
71
Foto 3.15a. Introducción de la base de aluminio.
Foto 3.15b. Introducción de los plexiglas.
72
CAPÍTULO IV.
ENSAYOS CON EL AFORADOR VENTURI
(HM 160.30) PARA CANALES
73
IV.1 ENSAYOS CON EL AFORADOR VENTURI .
En este capítulo describimos el desarrollo de los ensayos con el
aforador venturi (HM 160.51) para canales, bajo condiciones de flujo
constante. El aforador venturi (HM 160.51) esta en función al modelo
del canal de Venturímetro medidos en causes de ríos. Este modelo (HM
160.51) esta diseñado para ver el efecto de flujo en el Venturímetro.
Dicho efecto que se da en al aforador Venturímetro es generado por la
contracción horizontal del canal de sección. (Foto 4.1)
Foto 4.1.- Vista aérea del aforador Venturi.
74
Al realizar las pruebas, el canal hidrodinámico lo mantuvimos
sin pendiente. Esta medida la tomamos para evitar cualquier alteración
de la velocidad del flujo (Foto 4.2)
Foto 4.2.- Canal hidrodinámico con pendiente cero.
El hecho de que el canal hidrodinámico se mantuviera con
pendiente cero o sin pendiente se debe principalmente a que los
distritos de riego son muy planos, donde los canales tienen pendientes
muy bajas y no admiten la instalación de estructuras que provoquen
fuertes perdidas de carga 14, sin embargo para un mejor entendimiento
es necesario conocer los dos estados básicos del flujo del agua en un
canal.
75
IV.2.- FLUJO SUBCRÍTICO Y SUPERCRÍTICO EN EL VENTURI.
Para entender el modo de funcionamiento del flujómetro del
venturi es necesario saber los dos estados básicos del flujo de un cause
de agua:
Flujo Subcrítico
Flujo Supercrítico
En flujo subcrítico esta caracterizado por la velocidad de la
honda, como bien sabemos esto depende de la profundidad del agua,
entonces es más alta que la velocidad del flujo.
En contraste, en el caso de la salida supercrítica se invierte la
situación: la velocidad de la onda es más baja que la velocidad del flujo
del curso del agua. Esto significa que un disturbio en el agua en sentido
descendiente, como es accionado por una onda, no puede influenciar el
agua por aguas arriba en el caso del flujo supercrítico, en otras
palabras las ondas no se pueden propagar contra la corriente en salida
supercrítica 10.
IV.3.- FUNCIONAMIENTO DEL VENTURI.
Esta estructura se ensayo en el laboratorio, es un Venturi.
Consiste en un estrechamiento practicado en un canal de pendiente
variable, capaz de provocar el tirante crítico en la corriente; el
estrechamiento es de sección rectangular formado por dos paredes
laterales (plexiglas); su parte inicial se forma con un segmento de
círculo y las paredes terminales con un ensanchamiento brusco para
empotrarse en los taludes del canal. Además el piso o base de la
estructura está a nivel.
76
El Venturi es usado en la medición de gastos y en la mecánica de
fluidos, el flujómetro del venturi para medir el flujo de agua en cursos
abiertos implica una reducción de la sección, como resultado de esto, el
agua cambia del flujo subcrítico a supercrítico exactamente dentro de la
reducción o garganta. Por tanto el nivel del agua en sentido
descendiente no puede ejercer ninguna influencia en el proceso de la
salida, al igual que en el caso de un vertedor subacuatico 11.
En relación a la medición con el dispositivo Venturi (HM 160.30)
el flujómetro del canal del venturi tiene dos ventajas:
* Pérdida baja del gradiente
* No tiene ningún riesgo del depósito de sedimento
El flujómetro del canal del Venturi se puede utilizar incluso en los
cursos del agua que llevan cantidades grandes de carga en un canal
La sección estrecha del canal puede ser afectada por la contracción
lateral, de ambas paredes en la instalación 10.
77
IV.4.- PROCEDIMIENTO DE LOS ENSAYOS CON EL AFORADOR
VENTURI.
El procedimiento de ensayos del aforador Venturi generalmente
consistió en que probamos con diferentes gastos y tomamos la lectura
de los tirantes (H1 y H2) apoyados de un limnímetro y una regla
graduada, comenzamos con la capacidad mínima de caudal (0.5
m3/hr.) que es lo mínimo que el canal hidrodinámico nos permite, una
vez tomadas las lecturas de los tirantes cuyos valores fueron
registrados, se fue aumentando el gasto en rangos de (0.5 m3/hr.)
hasta llegar a los 10 m3/hr., registrando todas las lecturas de los
tirantes con los diferentes gastos probados.
El seguimiento de los procedimientos de prueba para diferentes gastos
con el dispositivo Venturi en el canal hidrodinámico fueron los
siguientes:
1.- El dispositivo Venturí lo fijamos en el canal de pendiente variable,
obedeciendo a la dirección del flujo, previamente sellada con dos
manguerillas suministradas por el fabricante, de manera que no se
presentarán filtraciones de agua, ya que pueden alterar los resultados
de la prueba y se cercioró que no existiera ningún tipo de deslizamiento
del Venturi (Foto 4.3).
Foto 4.3 Colocación del la base del Venturímetro
78
2.- Una vez que se colocó la base del aforador venturí se procedió a la
colocación de los paneles o plexiglás laterales (Foto 4.4)
Foto 4.4 Colocación de los paneles o plexiglás laterales
3.- Después de que se termino de instalar el aforador venturí en el
canal hidrodinámico se procedió a la calibración del limnímetro
El limnímetro de punta lo colocamos sobre los bordes del canal,
procedimos a calibrarlo de la siguiente manera (Figura 4.1):
tatb
tc
td
Figura 4.1 Esquema del limnímetro de punta.
De la figura 4.1
a) Tocamos el fondo del canal con la punta del limnímetro, por medio del tornillo A y lo ajustamos.
79
b) Hicimos coincidir el cero de la regleta pequeña con el cero de la regleta fija.
c) Cuando ambas regletas coincidieron en cero, se apretó el
tornillo C. (Foto. 4.5).
Foto 4.5. Regletas del limnímetro en ceros ó calibrado.
4.- Ya estando calibrado el limnímetro e instalado el aforador Venturi en
el canal hidrodinámico se procedió a accionar el interruptor, a fin de
encender la bomba, permitiéndonos así el flujo del agua del tanque
hacia el rotámetro (Foto 4.6).
Foto 4.6 Interruptor de admisión de corriente en particular la conformación con el que
se consigue una corriente homogénea. El cual el botón verde es de encendido y el rojo
de apagado
80
5.- Posteriormente regulamos el gasto abriendo o cerrando la válvula de
paso (Foto 4.7), esto lo logramos cuando la parte superior del cono
metálico coincidió con la regleta graduada como se muestra en la (Foto
4.8); Dando tiempo a que el flujo se estabilizara.
Foto 4.7 Válvula de regulación motorizada o válvula de paso para ajuste del caudal
Foto 4.8 Registrador magnético-inductivo del caudal (Rotámetro). En el se
puede llevar el control del gasto que pasa por el canal
81
6.- Con el flujo estabilizado realizamos las lecturas de los tirantes H1 y
H2 de la forma siguiente (Foto 4.9).
Foto 4.9 Altura del tirante, producida por las magnitudes de gasto.
a) Desajustamos el tornillo A del limnímetro y deslizamos la
barra a que la punta tocara sensiblemente el nivel del
embalse.
b) Precisamos el contacto de la punta con la superficie del
agua y se cerró el tornillo B.
7.- Registramos los datos de aforo: gasto (Q), y tirantes H1 y H2 en el
embalse.
8.- Este procedimiento lo realizamos con diferentes gastos empezando
de 0.5 m3/hr y aumentando el mismo gasto hasta llegar a los 10
m3/hr, el cual es la capacidad máxima del caudal. Los ensayos se
repitieron seis veces empezando del gasto mínimo del caudal hasta el
máximo y viceversa para así obtener una mayor exactitud en las
graficas y los coeficientes de gasto para el aforador Venturí.
82
A continuación presentamos la imagen de aforador Venturí HM 160.51
(Foto 4.10) durante la realización de los ensayos que fueron efectuados
en el L. I. H. de la ESIA Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional; así
como el efecto que se genera en flujo al pasar por dicho aforador
acompañado las tablas de resultados que obtuvimos al realizar las
pruebas.
Foto 4.10 Aforador Venturi HM 160.51 en funcionamiento.
83
a).- Las mediciones de los tirantes (H1 y H2) se hicieron una vez que el
flujo del agua en el canal se mantuviera constante usando el limnímetro
y una regla graduada (Foto 4.11), observamos la medición del tirante
H2, el cual midió 10 cm. antes de la entrada al aforador Venturi
cuando el flujo mantiene un estado subcrítico, es decir, antes de que el
flujo de agua entre a la parte convergente o garganta del dispositivo.
Foto 4.11 Medición del tirante en el estado subcrítico con regla graduada (limnímetro)
b).- La siguiente lectura del tirante como se puede observar en al
(Foto 4.12) fue para el tirante H1 el cual se realizo en la zona
convergente del aforador Venturi, es decir, en la garganta del
aforador Venturi cuando el flujo de agua destilada viene de un
flujo subcrítico entra al estrangulamiento, cambiando a un flujo
supercrítico.
Foto 4.12 Medición del tirante Supercrítico con regla graduada (limnímetro)
84
IV.5.- EFECTO QUE SE GENERA EN LA PARTE CONVERGENTE DEL
AFORADOR VENTURI.
Los aforadores que utilizan la sección crítica son los de tipo Venturi,
que son estructuras mediante las cuales un estrechamiento provoca
una sección de control, que en general es una sección crítica, donde la
energía específica es mínima, formándose después un salto hidráulico
para pasar nuevamente a un régimen tranquilo (Foto 4.13).
Foto 4.13 Sección crítica.
En el canal de Venturí debido a la disminución de la sección transversal
del canal, se consigue un decremento de la altura piezométrica de la
corriente (Foto 4.14), a expensas también de un incremento de la
energía cinética. Este decremento proporcional al caudal se emplea para
la medición del mismo en flujo abierto 9.
85
La energía específica.- si en un canal con movimiento permanente que
conduce agua con un tirante (d), consideramos una sección transversal
en donde la velocidad media es (V), se llama energía específica en esta
sección, a la suma del tirante más la carga de velocidad, en otras
palabras (a la suma de la energía potencial más la energía cinética) 9.
Foto 4.14 Decremento de la altura piezométrica.
El hecho de que este aforador permita un ahogamiento tan grande sin
alterar el valor del gasto lo cual es de gran utilidad, principalmente en
los distritos de riego muy planos, donde los canales tienen pendientes
muy bajas y no admitan la instalación de estructuras que provoquen
fuertes perdidas de carga.
86
IV.6.- REGISTRO DE LOS AFOROS CON EL DISPOSITIVO VENTURI.
Los aforos de gasto (Q) y tirantes (H1 y H2) que se obtuvieron en
los ensayos realizados para cada uno de ellos son los siguientes.
El orden de los ensayos se llevo empezando con el gasto mínimo
de caudal (0.5 m3/hr.) hasta legar al gasto máximo de (10 m3/hr.), los
aumentos en el gasto se fueron dando de 0.5 m3/hr. y viceversa del
máximo al mínimo. La siguiente tabla muestra los valores de gasto
(m3/hr.) y de los tirantes (H1 y H2) iniciando con el gasto mínimo
(Tabla 4.1a, 4.1b, 4.2a, 4.2b, 4.3a, 4.3b )
PRUEBA No.1
GASTO (m3/s) H1(m) H2(m)
1 0.000139 0.038000 0.025333
2 0.000278 0.040000 0.026667
3 0.000417 0.046000 0.030667
4 0.000555 0.057000 0.038000
5 0.000694 0.058000 0.038667
6 0.000833 0.063000 0.042000
7 0.000972 0.068000 0.045333
8 0.001111 0.073000 0.048667
9 0.001250 0.077000 0.051333
10 0.001390 0.081000 0.054000
11 0.001530 0.085000 0.056667
12 0.001670 0.089000 0.059333
13 0.001810 0.093000 0.062000
14 0.001940 0.097000 0.064667
15 0.002080 0.100000 0.066667
16 0.002220 0.105000 0.070000
17 0.002360 0.108000 0.072000
18 0.002500 0.112000 0.074667
19 0.002640 0.115000 0.076667
20 0.002780 0.120000 0.080000 Tabla 4.1a Datos obtenidos del primer ensayo.
87
Los valores que en esta tabla se muestran los ensayos que se iniciaron
con el gasto máximo ahora en forma descendente hasta llegar al gasto
mínimo.
PRUEBA No.2
GASTO (m3/s) H1(m) H2(m)
20 0.002780 0.120000 0.080000
19 0.002640 0.116000 0.077333
18 0.002500 0.113000 0.075333
17 0.002360 0.109000 0.072667
16 0.002220 0.107000 0.071333
15 0.002080 0.102000 0.068000
14 0.001940 0.099000 0.066000
13 0.001810 0.095000 0.063333
12 0.001670 0.091000 0.060667
11 0.001530 0.087000 0.058000
10 0.001390 0.084000 0.056000
9 0.001250 0.079000 0.052667
8 0.001111 0.074000 0.049333
7 0.000972 0.069000 0.046000
6 0.000833 0.064000 0.042667
5 0.000694 0.059000 0.039333
4 0.000555 0.054000 0.036000
3 0.000417 0.042000 0.028000
2 0.000278 0.041000 0.027333
1 0.000139 0.033000 0.022000 Tabla 4.1b Datos obtenidos del primer ensayo.
88
Los valores que se muestran son de la prueba tres empezando con el
gasto mínimo ascendiendo hasta el gasto máximo.
PRUEBA No.3 GASTO (m3/s) H1(m) H2(m)
1 0.000139 0.033000 0.022000
2 0.000278 0.040000 0.026667
3 0.000417 0.046000 0.030667
4 0.000555 0.053000 0.035333
5 0.000694 0.059000 0.039333
6 0.000833 0.064000 0.042667
7 0.000972 0.069000 0.046000
8 0.001111 0.074000 0.049333
9 0.001250 0.078000 0.052000
10 0.001390 0.082000 0.054667
11 0.001530 0.087000 0.058000
12 0.001670 0.090000 0.060000
13 0.001810 0.094000 0.062667
14 0.001940 0.099000 0.066000
15 0.002080 0.103000 0.068667
16 0.002220 0.106000 0.070667
17 0.002360 0.110000 0.073333
18 0.002500 0.113000 0.075333
19 0.002640 0.116000 0.077333
20 0.002780 0.120000 0.080000 Tabla 4.2a Datos obtenidos del segundo ensayo.
89
Los valores que en esta tabla se muestran los ensayos que se iniciaron
con el gasto máximo ahora en forma descendente hasta llegar al gasto
mínimo.
PRUEBA No. GASTO (m3/s) H1(m) H2(m)
20 0.002780 0.120000 0.080000
19 0.002640 0.117000 0.078000
18 0.002500 0.113000 0.075333
17 0.002360 0.109000 0.072667
16 0.002220 0.106000 0.070667
15 0.002080 0.103000 0.068667
14 0.001940 0.098000 0.065333
13 0.001810 0.095000 0.063333
12 0.001670 0.091000 0.060667
11 0.001530 0.087000 0.058000
10 0.001390 0.083000 0.055333
9 0.001250 0.079000 0.052667
8 0.001111 0.074000 0.049333
7 0.000972 0.069000 0.046000
6 0.000833 0.064000 0.042667
5 0.000694 0.059000 0.039333
4 0.000555 0.053000 0.035333
3 0.000417 0.047000 0.031333
2 0.000278 0.040000 0.026667
1 0.000139 0.033000 0.022000 Tabla 4.2b Datos obtenidos del segundo ensayo.
90
Los valores que se muestran son de la prueba tres empezando con el
gasto mínimo ascendiendo hasta el gasto máximo.
PRUEBA No. GASTO (m3/s) H1(m) H2(m)
1 0.000139 0.034000 0.022667
2 0.000278 0.040000 0.026667
3 0.000417 0.047000 0.031333
4 0.000555 0.053000 0.035333
5 0.000694 0.059000 0.039333
6 0.000833 0.064000 0.042667
7 0.000972 0.069000 0.046000
8 0.001111 0.074000 0.049333
9 0.001250 0.079000 0.052667
10 0.001390 0.083000 0.055333
11 0.001530 0.087000 0.058000
12 0.001670 0.092000 0.061333
13 0.001810 0.095000 0.063333
14 0.001940 0.099000 0.066000
15 0.002080 0.103000 0.068667
16 0.002220 0.106000 0.070667
17 0.002360 0.110000 0.073333
18 0.002500 0.113000 0.075333
19 0.002640 0.117000 0.078000
20 0.002780 0.120000 0.080000 Tabla 4.3a Datos obtenidos del tercer ensayo.
91
Los valores que en esta tabla se muestran los ensayos que se iniciaron
con el gasto máximo ahora en forma descendente hasta llegar al gasto
mínimo.
PRUEBA No. GASTO (m3/s) H1(m) H2(m)
20 0.002780 0.121000 0.080667
19 0.002640 0.118000 0.078667
18 0.002500 0.114000 0.076000
17 0.002360 0.110000 0.073333
16 0.002220 0.107000 0.071333
15 0.002080 0.103000 0.068667
14 0.001940 0.100000 0.066667
13 0.001810 0.096000 0.064000
12 0.001670 0.092000 0.061333
11 0.001530 0.088000 0.058667
10 0.001390 0.083000 0.055333
9 0.001250 0.080000 0.053333
8 0.001111 0.075000 0.050000
7 0.000972 0.069000 0.046000
6 0.000833 0.064000 0.042667
5 0.000694 0.060000 0.040000
4 0.000555 0.054000 0.036000
3 0.000417 0.047000 0.031333
2 0.000278 0.041000 0.027333
1 0.000139 0.034000 0.022667 Tabla 4.3b Datos obtenidos del tercer ensayo.
92
CAPÍTULO V.
RESULTADOS Y GRÁFICAS.
93
V.I RESULTADOS Y GRÁFICAS DEL VENTURI.
En el capítulo V procesamos analíticamente los datos registrados de
los aforos de gasto y tirantes con el fin de obtener los coeficientes con los
que regirá el aforador Venturi HM 160.51.
Tal obtención parte de la aplicación de las ecuaciones (6), y que por
las condiciones bajo las cuales realizamos las pruebas son la misma – Con
la que calculamos los coeficientes de gasto, y los graficamos
correspondiendo a la relación Coeficiente(C) vs gasto(Q).
Para el cálculo de los coeficientes de gasto del venturí aplicamos la
ecuación (6) donde debemos entender que el calculo del gasto (Q) del flujo,
esta basado bajo la leyes de la continuidad, de la sección 1 y dos del canal.
:
Q = µ * C * b2 * √g * h1
3/2...................(6) De la cual despejamos el termino C.
3/212 h b µ g
QC = …………………(7)
La cual se utilizo, para el cálculo de los coeficientes, en donde
consideramos como valores constantes:
b = 0.0380 m. Ancho de la garganta del Venturi. 2
g = 9.81 m/s2. Aceleración debida a la fuerza de gravedad en el
sistema técnico.
h = Altura del tirante del flujo en el canal antes de entrar al
aforador Venturi.
1
94
95
Q = Gasto sobre el canal.
µ = 0.985 Coeficiente en el canal Venturi.
El Coeficiente del canal venturí µ = 0.985. Este valor es un factor
que se emplea para instrumentos nuevos.
Y sustituyendo en la ecuación (7) los datos registrados, obtenemos
los siguientes coeficientes de gasto y sus respectivas gráficas.
Para un mejor entendimiento se describe el contenido por columna
de las tablas y factores que intervienen en ella, así como para la
realización de las graficas que se muestran a continuación:
Columna No. 1: Número de prueba, (PRUEBA No.)
Columna No. 2: Gasto que corre sobre el canal, (GASTO en m3/s).
Columna No. 3: Altura del tirante del flujo en el canal antes de
entrar al aforador Venturi, (h1 medido en metros)
Columna No. 4: h2 = 2/3 de h1
Columna No. 5: Calculo del coeficiente para el aforador Venturi.
Columna No. 6: Gasto que corre sobre el canal, (GASTO en lts./s).
Primer ensayo. (A)
b b a g 1 A 1 2
0.089000 0.038000 0.010000 9.810000 3PRUEBA No. GASTO (m /s) h
Tabla 5.1.- Coeficientes de gasto 1A
1(m) h2(m) C GASTO (lts/s)
1 0.000139 0.038000 0.025333 0.160061 0.139000 2 0.000278 0.040000 0.026667 0.296415 0.278000 3 0.000417 0.046000 0.030667 0.360533 0.417000 4 0.000555 0.057000 0.038000 0.347878 0.555000 5 0.000694 0.058000 0.038667 0.423802 0.694000 6 0.000833 0.063000 0.042000 0.449345 0.833000 7 0.000972 0.068000 0.045333 0.467572 0.972000 8 0.001111 0.073000 0.048667 0.480480 1.111000 9 0.001250 0.077000 0.051333 0.499022 1.250000
10 0.001390 0.081000 0.054000 0.514319 1.390000 11 0.001530 0.085000 0.056667 0.526634 1.530000 12 0.001670 0.089000 0.059333 0.536509 1.670000 13 0.001810 0.093000 0.062000 0.544377 1.810000 14 0.001940 0.097000 0.064667 0.547759 1.940000 15 0.002080 0.100000 0.066667 0.561060 2.080000 16 0.002220 0.105000 0.070000 0.556563 2.220000 17 0.002360 0.108000 0.072000 0.567181 2.360000 18 0.002500 0.112000 0.074667 0.568930 2.500000 19 0.002640 0.115000 0.076667 0.577435 2.640000 20 0.002780 0.120000 0.080000 0.570451 2.780000
96
Primer ensayo. (B)
b b a g 1 B 1 20.089000 0.038000 0.010000 9.810000
3PRUEBA No. GASTO (m /s) h1(m) h2(m) C GASTO (lts/s)
20 0.002780 0.120000 0.080000 0.570451 2.780000 19 0.002640 0.116000 0.077333 0.569984 2.640000 18 0.002500 0.113000 0.075333 0.561394 2.500000 17 0.002360 0.109000 0.072667 0.559394 2.360000 16 0.002220 0.107000 0.071333 0.541032 2.220000 15 0.002080 0.102000 0.068000 0.544639 2.080000 14 0.001940 0.099000 0.066000 0.531245 1.940000 13 0.001810 0.095000 0.063333 0.527277 1.810000 12 0.001670 0.091000 0.060667 0.518920 1.670000 11 0.001530 0.087000 0.058000 0.508579 1.530000 10 0.001390 0.084000 0.056000 0.487014 1.390000 9 0.001250 0.079000 0.052667 0.480192 1.250000 8 0.001111 0.074000 0.049333 0.470774 1.111000 7 0.000972 0.069000 0.046000 0.457444 0.972000 6 0.000833 0.064000 0.042667 0.438855 0.833000 5 0.000694 0.059000 0.039333 0.413073 0.694000 4 0.000555 0.054000 0.036000 0.377266 0.555000 3 0.000417 0.042000 0.028000 0.413245 0.417000 2 0.000278 0.041000 0.027333 0.285637 0.278000 1 0.000139 0.033000 0.022000 0.197783 0.139000
Tabla 5.2.- Coeficientes de gasto 1B
97
Segundo ensayo. (A)
b b a g 2 A 1 20.089000 0.038000 0.010000 9.810000
3PRUEBA No. GASTO (m /s) h
Tabla 5.3.- Coeficientes de gasto 2A
1(m) h2(m) C GASTO (lts/s)
1 0.000139 0.033000 0.022000 0.197783 0.139000 2 0.000278 0.040000 0.026667 0.296415 0.278000 3 0.000417 0.046000 0.030667 0.360533 0.417000 4 0.000555 0.053000 0.035333 0.387994 0.555000 5 0.000694 0.059000 0.039333 0.413073 0.694000 6 0.000833 0.064000 0.042667 0.438855 0.833000 7 0.000972 0.069000 0.046000 0.457444 0.972000 8 0.001111 0.074000 0.049333 0.470774 1.111000 9 0.001250 0.078000 0.052000 0.489456 1.250000
10 0.001390 0.082000 0.054667 0.504940 1.390000 11 0.001530 0.087000 0.058000 0.508579 1.530000 12 0.001670 0.090000 0.060000 0.527592 1.670000 13 0.001810 0.094000 0.062667 0.535713 1.810000 14 0.001940 0.099000 0.066000 0.531245 1.940000 15 0.002080 0.103000 0.068667 0.536727 2.080000 16 0.002220 0.106000 0.070667 0.548706 2.220000 17 0.002360 0.110000 0.073333 0.551783 2.360000 18 0.002500 0.113000 0.075333 0.561394 2.500000 19 0.002640 0.116000 0.077333 0.569984 2.640000 20 0.002780 0.120000 0.080000 0.570451 2.780000
98
Segundo ensayo. (B)
b1 b2 a g 2 B 0.089000 0.038000 0.01000 9.810000
3PRUEBA No. GASTO (m /s) h1(m) h2(m) C GASTO (lts/s)
20 0.002780 0.120000 0.080000 0.570451 2.780000 19 0.002640 0.117000 0.078000 0.562692 2.640000 18 0.002500 0.113000 0.075333 0.561394 2.500000 17 0.002360 0.109000 0.072667 0.559394 2.360000 16 0.002220 0.106000 0.070667 0.548706 2.220000 15 0.002080 0.103000 0.068667 0.536727 2.080000 14 0.001940 0.098000 0.065333 0.539397 1.940000 13 0.001810 0.095000 0.063333 0.527277 1.810000 12 0.001670 0.091000 0.060667 0.518920 1.670000 11 0.001530 0.087000 0.058000 0.508579 1.530000 10 0.001390 0.083000 0.055333 0.495842 1.390000 9 0.001250 0.079000 0.052667 0.480192 1.250000 8 0.001111 0.074000 0.049333 0.470774 1.111000 7 0.000972 0.069000 0.046000 0.457444 0.972000 6 0.000833 0.064000 0.042667 0.438855 0.833000 5 0.000694 0.059000 0.039333 0.413073 0.694000 4 0.000555 0.053000 0.035333 0.387994 0.555000 3 0.000417 0.047000 0.031333 0.349088 0.417000 2 0.000278 0.040000 0.026667 0.296415 0.278000 1 0.000139 0.033000 0.022000 0.197783 0.139000
Tabla 5.4.- Coeficientes de gasto 2B
99
Tercer ensayo. (A) g b b a 1 23 A 0.089000 0.038000 0.010000 9.810000 3PRUEBA No. GASTO (m /s) h
Tabla 5.5.- Coeficientes de gasto 3A
1(m) h2(m) C GASTO (lts/s)
1 0.000139 0.034000 0.022667 0.189122 0.139000 2 0.000278 0.040000 0.026667 0.296415 0.278000 3 0.000417 0.047000 0.031333 0.349088 0.417000 4 0.000555 0.053000 0.035333 0.387994 0.555000 5 0.000694 0.059000 0.039333 0.413073 0.694000 6 0.000833 0.064000 0.042667 0.438855 0.833000 7 0.000972 0.069000 0.046000 0.457444 0.972000 8 0.001111 0.074000 0.049333 0.470774 1.111000 9 0.001250 0.079000 0.052667 0.480192 1.250000 10 0.001390 0.083000 0.055333 0.495842 1.390000 11 0.001530 0.087000 0.058000 0.508579 1.530000 12 0.001670 0.092000 0.061333 0.510482 1.670000 13 0.001810 0.095000 0.063333 0.527277 1.810000 14 0.001940 0.099000 0.066000 0.531245 1.940000 15 0.002080 0.103000 0.068667 0.536727 2.080000 16 0.002220 0.106000 0.070667 0.548706 2.220000 17 0.002360 0.110000 0.073333 0.551783 2.360000 18 0.002500 0.113000 0.075333 0.561394 2.500000 19 0.002640 0.117000 0.078000 0.562692 2.640000 20 0.002780 0.120000 0.080000 0.570451 2.780000
100
101
Tercer ensayo (B)
Tabla 5.6.- Coeficientes de gasto 3B
3 B
b1 0.089000
b2 0.038000
a 0.010000
g 9.810000
PRUEBA No. GASTO (m3/s) h1(m) h2(m) C GASTO (lts/s)
20 0.002780 0.121000 0.080667 0.563394 2.780000 19 0.002640 0.118000 0.078667 0.555554 2.640000 18 0.002500 0.114000 0.076000 0.554024 2.500000 17 0.002360 0.110000 0.073333 0.551783 2.360000 16 0.002220 0.107000 0.071333 0.541032 2.220000 15 0.002080 0.103000 0.068667 0.536727 2.080000 14 0.001940 0.100000 0.066667 0.523296 1.940000 13 0.001810 0.096000 0.064000 0.519060 1.810000 12 0.001670 0.092000 0.061333 0.510482 1.670000 11 0.001530 0.088000 0.058667 0.499934 1.530000 10 0.001390 0.083000 0.055333 0.495842 1.390000
1.250000 1.111000 0.972000 0.833000 0.694000 0.555000 0.417000 0.278000 0.139000
9 0.001250 0.080000 0.053333 0.471217 8 0.001111 0.075000 0.050000 0.461390 7 0.000972 0.069000 0.046000 0.457444 6 0.000833 0.064000 0.042667 0.438855 5 0.000694 0.060000 0.040000 0.402790 4 0.000555 0.054000 0.036000 0.377266 3 0.000417 0.047000 0.031333 0.349088 2 0.000278 0.041000 0.027333 0.285637 1 0.000139 0.034000 0.022667 0.189122
102
A continuación presentamos las gráficas correspondientes a los
Coeficientes de Gasto de cada uno de los ensayos realizados en el
Laboratorio de Ingeniería Hidráulica del la Escuela Superior de Ingeniería
y Arquitectura del Instituto Politécnico Nacional.
Estas graficas nos muestran los resultados obtenidos de los ensayos, en
donde en el eje de las abscisas se grafican los coeficientes y en el eje de las
ordenadas los gastos.
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
CO
EFIC
IEN
TE"C
"
GASTO (lts/s)
Gráfica 5.1. Primer ensayo. (A), Gasto-Coeficiente
103
0.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
CO
EFIC
IEN
TE"C
"
GASTO (lts/s)
Gráfica 5.2. Primer ensayo. (B), Gasto-Coeficiente
104
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
CO
EFIC
IEN
TE"C
"
GASTO (lts/s)
Gráfica 5.3. Segundo ensayo. (A), Gasto-Coeficiente
105
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
CO
EFIC
IEN
TE"C
"
GASTO (lts/s)
Gráfica 5.4. Segundo ensayo. (B), Gasto-Coeficiente
106
0.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
CO
EFIC
IEN
TE"C
"
GASTO (lts/s)
Gráfica 5.5. Tercer ensayo. (A), Gasto-Coeficiente
107
108
0.15
0.200.25
0.300.35
0.400.45
0.500.55
0.60
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
CO
EFIC
IEN
TE"C
"
GASTO (lts/s)
Gráfica 5.6. Tercer ensayo. (B), Gasto-Coeficiente
Del análisis de las gráficas respecto al coeficiente de gasto del Aforador
Venturi para canal se concluye lo siguiente:
• El coeficiente de gasto promedio del modelo resulto de 0.47
• El rango de variación de gasto fue de 0.139 a 2.78 litros/segundo
Prototipos de Aforador Venturi para canal, utilizados en Distritos de Riego
No. 33 del Estado de México, Unidad Temascalcingo, presentan las
siguientes características.
• El coeficiente de gasto promedio del prototipo resulto de 0.525,
medido en campo
• El rango de variación de gasto fue de 6 a 160 litro/segundo.
Podemos concluir que la diferencia existente en el Coeficiente de gasto,
entre modelo y prototipo, radica en las condiciones del sitio de ubicación
del aforador, del contenido de sólidos en suspensión del agua, y de los
años de servicio del mismo.
Por lo tanto aun con esa variación de más, menos 10%, se considera
óptimo el funcionamiento del aforador tanto en modelo como en prototipo.
109
CONCLUSIONES.
1.- El diseño de la estructura es demasiado simple y por lo tanto su
construcción resulta fácil y barata especialmente si se le sitúa en los
lugares que deben ser provistos de revestimiento o si se combina con
algunas otras estructuras, tales como caídas, sifones u otra clase de
cruces.
2- La estructura trabaja eficientemente aun teniendo gran variación en
el gasto, pues para gastos pequeños como para grandes, su
determinación se hace con bastante exactitud utilizando la formula
Q = u * b2 √g * C * h13/2
3.- El problema de azolve aguas arriba de la estructura y en la
estructura misma es eliminado debido a que el aumento de velocidad en
la parte convergente o garganta, lo cual lo mantiene libre de
obstrucciones, conservando siempre su misma precisión.
4.- La perdida de carga es muy pequeña en comparación con las que se
originan en otras estructuras de aforo.
5.- Se dispone de un gran aforador de gran exactitud cuando funciona a
superficie libre.
6.- En el aforador venturí se tiene un módulo de gasto constante
cuando trabaja como orificio.
7.- No influye el ancho del canal en que este colocado, siempre y
cuando éste sea mayor de tres veces el estrechamiento de la estructura.
110
8.- Una de las principales conclusiones que se obtuvo en este trabajo
fue la siguiente: La estructura que en su localización, instalación y
construcción cumpla con todas las especificaciones dadas para dicha
estructura, no será necesario calibrarla después de su instalación, ya
que sólo aplicando la fórmula o viendo la curva dada por el laboratorio
de hidráulica se tendrá un gasto muy cercano a la realidad.
9.- Las graficas obtenidas en el laboratorio con el aforador Venturí HM
160.51 para canal, nos comprueban la hipótesis planteada en este
trabajo.
111
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112
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